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当你打开终端并输入命令时会发生什么?（上）

哈喽大家好，我是咸鱼

参加过校招面试的小伙伴们肯定对下面这道面试题很熟悉：“当你在浏览器输入一段网址后会发生什么？”。这道面试题可以说是很经典了，因为其涉及大量网络协议，可以非常直观的看出小伙伴们对计算机网络体系的整体把握程度

但如果问题换成：“当你打开终端并输入 ls 时会发生什么？”，有多少小伙伴能够回答出来呢？

终端的前世今生

大多数现代终端应用程序的工作方式都来自于其历史前辈——电传打字机（teletypes，简称 tty）

在大型计算机的时代，当时数据存储在磁带上，计算机的内存以 kB 为单位，电传打字机就是为了它们而被设计出来

如上图，左边的是 IBM 2741电传打字机，右边是 IBM System/360 Mo. 40大型计算机

电传打字机是允许用户与计算机交互的基本文本客户端。teletypes 其实是 teletypewriter的缩写，因为它是从打字机（typewriters）演变过来的

如上图所示，电传打字机和大型计算机通过连接两端的物理线来进行通信。沟通过程如下：

  • 当用户从电传打字机输入时，ASCII 文本将一个字符一个字符地通过网络传输
  • 计算机的内核接收字符并对其进行解码
  • 接着字符被送到一个名为 TTY driver 的驱动程序，这里负责将输入发送到用户程序并收集输出
  • 最后，内核将输出发送回电传打字机 ，以便显示给用户

需要提到的一点是 line discipline（行规则），它会将字符缓冲到内核内存中，直到按下 Enter” 键，程序才会接收到输入

line discipline 允许这块缓冲区是可编辑的，并提供了一些与程序无关的快捷键（例如 ctrl-w）

这在当时是一项重要的性能优化，因为让程序员一个字符一个字符的处理是非常低效的

随着计算技术的进步，这些独立组件中的许多都实现了现代化。比如说电传打字机被终端所取代，终端是完全电子的机器，包括电子显示器

上图是 DEC 于 1978 年发布的 VT100 终端机（VT = video terminal），它实现并推广了至今仍在使用的 ANSI 转义码

随着电子终端的诞生，出现了越来越多的功能（例如颜色、铃声）。但本质上跟电传打字机完全相同——发送输入字符流并显示输出

现如今人人都有一台自己的电脑，这些电脑的操作系统可以监督许多应用程序，终端不再是专门的硬件，而是变成了这些应用程序中的一个

与典型的 GUI 应用程序一样，终端是操作系统监督下的一个进程，它监听来自用户的事件和输入，并告诉操作系统在窗口中显示什么（终端不直接与外设交互，而是通过驱动程序和窗口管理器）

有时候我们还会听到 ”终端模拟器“ 这个词，而不是简单的称之为 ”终端“。这是因为 ”终端“ 指的是专门的硬件（终端机），而现在大多数的终端只是对该设备的模拟，是一个应用程序

但是我们这里不做区分，”终端模拟器“ 和 ”终端“ 含义一样

那么当我们打开终端时会发生什么呢？

打开终端

上面我们提到过，终端是一个应用程序，能够让你 ”使用你的电脑“（即在上面运行程序）。我们的电脑上可能已经存在了 ls、rm、mv 等程序

但是我们不满足于使用这些简单的命令，我们还希望使用脚本来实现自动化， 这些脚本将许多命令的序列组合在一起，使用分支条件逻辑，运行重复循环或并行化命令等

为了让计算机能够读懂我们的脚本并执行起来，我们需要一个完整的可交互的解释型的编程环境——shell

将其他程序作为进程运行，让操作系统内核读懂你写的脚本，这些工作都由 shell 完成。目前常见的 shell 有 Bash、Zsh 等

终端和 shell 是两个独立的程序：

  • shell 负责解释你输入的命令
  • 终端负责 UI 相关的东西，比如字体、颜色等

当我们打开终端时，终端会根据用户生成一个 shell 进程，以及用户与 shell 之间，用户与 shell 启动的进程之间通信的方法

这个 shell 进程负责解释和执行用户输入的命令，并与用户进行交互。用户在终端输入的命令将通过这个通信通道传递给 shell 进程进行解释执行，并将执行结果反馈给用户显示在终端上

创建 PTY

伪终端设备（PTY）是在计算机操作系统中创建的一个虚拟设备，用于模拟物理终端的功能

在 UNIX、Linux 和类 UNIX 系统中，PTY 用于在用户和程序之间建立一个通信通道，允许用户通过终端会话与程序进行交互

PTY通常由两个主要部分组成：主设备（leader）和从设备（follower）。leader端连接到用户终端，follower端连接到一个或多个程序

当用户打开终端并启动一个 shell 时，终端模拟器会创建一个 PTY，并将 leader 端连接到用户界面，同时将 follower 端连接到 shell 或其他命令行程序。

用户输入的命令通过 leader 端传输到 follower 端，follower 端执行这些命令并将输出发送回 leader 端，最终显示在用户界面上

在 Unix 中，一切皆文件，这句话指的是 Unix 中的所有东西都有与文件相同的读/写接口。leader 的 fd（文件描述符） 指向内存中的一个缓冲区，而 follower 是一个在磁盘上具有实际路径的字符设备文件。

上图可以看到，我们打开了两个终端（/dev/pts/0、/dev/pts/1），启动了两个 shell 进程。如果我们在终端1（/dev/pts/1）中敲命令并重定向到终端0（/dev/pts/0），可以看到输出结果是在终端0中显示的

生成 shell

终端会话在启动时可能会为shell创建一个子进程，这个子进程将作为 shell 的实例来执行用户的命令

UNIX 和类 UNIX 系统中，终端会话会使用伪终端设备（PTY）来与 shell 进程进行通信，通过这种方式，终端会话可以读取和写入 shell 的输入、输出和错误输出（fd 0到2）

shell 初始化

在Linux中，用户打开终端启动 shell 进程时会进行 shell 初始化，这个过程涉及一些配置文件和脚本的执行，用来设置用户的环境和启动 shell 的行为

步骤大致如下：

  1. 读取配置文件：在用户登录时，shell 会读取一系列的配置文件来设置用户的环境变量、别名、函数等。这些配置文件可以包括全局配置文件（例如/etc/profile）和用户特定的配置文件（例如~/.bash_profile、~/.bashrc等）
  2. 执行配置命令：配置文件中可以包含各种设置和命令，例如设置环境变量、修改提示符、定义别名和函数等。这些命令会在 shell 启动时执行，以确保在用户登录后设置了所需的环境和行为
  3. 启动shell：一旦执行了配置文件中的命令，shell 就会准备就绪，等待用户的输入。这时，shell 的提示符会出现，等待用户输入命令。