《unix高级环境编程》终端 I/O——终端 IO 基本概述

终端基本概念

终端 IO 是一种字符型设备，终端特殊设备文件一般有以下几种：

1. 串行端口终端：是使用计算机串行端口连接的设备，计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。串行端口所对应的设备名称 /dev/ttySn（n表示从0开始的整数）；
2. 伪终端：是成对的逻辑终端设备，例如 /dev/ptyp3 和/ dev/ttyp3（在设备文件系统中分别是 /dev/pty/m3 和/ dev/pty/s3 ）,它们与实际物理设备并不直接相关；
3. 控制终端：是当前进程的控制终端的设备特殊文件 /dev/tty。可以使用命令”ps –ax”来查看进程与哪个控制终端相连使用命令”tty”可以查看它具体对应哪个实际终端设备。/dev/tty有些类似于到实际所使用终端设备的一个联接；
4. 控制台终端：计算机显示器通常被称为控制台终端（Console），它仿真了类型为Linux的一种终端（TERM=Linux），并且有一些设备特殊文件与之相关联：tty0、tty1、tty2等；

终端 IO 有两种不同的工作模式：

1. 规范模式输入处理：在这种模式下，终端输入以行为单位进行处理，对于每个读要求，终端驱动程序最多返回一行；
2. 非规范模式输入处理：输入字符不以行为单位进行处理；

终端设备是由一般位于内核中的终端驱动程序控制，每个终端设备有一个输入队列和一个输出队列，如下图所示：

大多数 UNIX 系统在一个称为终端行规程的模块中进行规范处理。它位于内核通用读、写函数和实际设备驱动程序之间的模块，如下图所示：

操作终端的结构定义如下：

/* 终端IO *//* 终端IO的数据结构 */#include <termios.h>struct termios{    tcflag_t    c_iflag;    /* input flag */    tcflag_t    c_oflag;    /* output flag */    tcflag_t    c_cflag;    /* control flag */    tcflag_t    c_lflag;    /* local flag */    cc_t        c_cc[NCCS]; /* control characters */};

        该数据结构的输入标志由终端设备驱动程序用来控制字符的输入（剥除输入字节的第8位，允许输入奇偶校验等）；输出标志则控制终端设备驱动的输出（执行输出处理、将换行符映射为 CR/LF 等）；控制标志影响到 RS-232串行线（忽略调制解调器的状态线、每个字符的一个或两个停止位等）；本地标志影响驱动程序和用户之间的接口（回送的开或关、可视的擦除字符、终端产生的信号的启用以及后台输出的作业控制停止信号等）；有关各个标志的取值可以参考书上的表格。

特殊输入字符

终端设备操作函数

以下先给出终端的操作函数：

/*_______________________________________ *   函数             说明 *_______________________________________ * tcgetattr        获取属性 * tcsetattr        设置属性 *_______________________________________ * cfgetispeed      得到输入速度 * cfgetospeed      得到输出速度 * cfsetispeed      设置输入速度 * cfsetospeed      设置输出速度 *_______________________________________ * tcdrain          等待所有输出都被传输 * tcflow           挂起传输或接收 * tcflush          刷清未决输入和/或输出 * tcsendbreak      送BREAK字符 *_______________________________________ * tcgetpgrp        得到前台进程组ID * tcsetpgrp        设置前台进程组ID * tcgetsid         得到控制TTY的会话首进程的进程组ID *_______________________________________ * */

针对这些终端操作函数进行分类讨论：

终端属性

可以通过以下两个函数获取和设置终端属性，该属性结构是 termios 结构，有了终端属性方便进一步的操作，其定义如下：

/* * 函数功能：获取和设置终端属性； * 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1； * 函数原型： */#include <termios.h>int tcgetattr(int filedes, struct termios *termptr);/* 获取终端属性 */int tcsetattr(int filedes, int opt, const struct termios *termptr);/* 设置终端属性 *//* * 说明： * filed是终端设备描述符； * * opt参数可以指定为以下的值： * TCSANOW          更改立即生效； * TCSADRAIN        发送所有输出后更改才发生，若更改输出参数则应该使用此选项； * TCSAFLUSH        发送所有输出后更改才发生，更进一步，在更改发生时未读的所有输入数据都被删除； */

测试程序：

#include "apue.h"#include <termios.h>int main(){    struct termios term;    //获取termios结构    if(tcgetattr(STDIN_FILENO,&term) < 0)        err_sys("tcgetattr error");    switch(term.c_cflag & CSIZE)    {    case CS5:        printf("5 bits/byte\n");        break;    case CS6:        printf("6 bits/byte\n");        break;    case CS7:        printf("7 bits/byte\n");        break;    case CS8:        printf("8 bits/byte\n");        break;    default:        printf("Unknown bityes/byte\n");    }    term.c_cflag &= ~CSIZE;   //字符长度清0    term.c_cflag |= CS5;          //设置为8 bites/byte    if(tcsetattr(STDIN_FILENO,TCSANOW,&term) < 0)        err_sys("tcsetattr error");    exit(0);}

输出结果：

8 bits/byte

波特率函数

/* * 函数功能：获取和设置终端波特率； * 函数原型： */#include <termios.h>/* 返回值：若成功则返回波特率值 */speed_t cfgetispeed(const struct termios *termptr);/* 获取输入波特率 */speed_t cfgetospeed(const struct termios *termptr);/* 获取输出波特率 *//* 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1；*/int cfsetispeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输入波特率 */int cfsetospeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输出波特率 */

行控制函数

/* * 函数功能：终端设备的行控制； * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1； * 函数原型： */#include <termios.h>int tcdrain(int filedes);int tcflow(int filedes, int action);int tcflush(int filedes, int queue);int tcsendbreak(int filedes, int duration);/* * 说明： * action参数取值如下： * TCOOFF       输出被挂起； * TCOON        重新启动以前被挂起的输出； * TCIOFF       系统发送一个STOP字符，将使终端设备暂停发送数据； * TCION        系统发送一个START字符，将使终端设备恢复发送数据； * * queue参数取值如下： * TCIFUSH      刷清输入队列； * TCOFUSH      刷清输出队列； * TCIOFUSH      刷清输入、输出队列； */

终端标识

下面是一些对控制终端操作的函数，其定义如下：

/* 终端标识 *//* * 函数功能：确定控制终端的名字； * 返回值：若成功则返回指向控制终端名的指针，出错则返回指向空字符串的指针； * 函数原型： */#include <stdio.h>char * ctermid(char *ptr);/* * 说明： * ptr非null，且指向长度至少为L_ctermid字节的数组，进程的控制终端名存放在该数组中； * ptr为null，则该函数为数组分配空间，进程的控制终端名也放在该数组中； *//* * 函数功能：控制终端的操作； * 函数原型： */#include <unistd.h>int isatty(int filedes);/* 返回值：若为终端设备则返回1（真），否则返回0（假）*/char *ttyname(int filedes);/* 返回值：指向终端路径名的指针，若出错则返回NULL */

下面程序是测试控制终端的信息：

#include "apue.h"#include <termios.h>static char ctermid_name[L_ctermid];char *Mctermid(char *str){    if(str == NULL)        str = ctermid_name;    return (strcpy(str,"/dev/tty"));}int main(){    char tername[50];    char *name;    ctermid(tername);    printf("terminate name is: %s\n", tername);    Mctermid(tername);    printf("Mterminate name is: %s\n", tername);    printf("Test isatty...\n");    printf("fd 0 is: %s\n",isatty(0)? "tty" : "not a tty");    printf("fd 1 is: %s\n",isatty(1)? "tty" : "not a tty");    printf("fd 2 is: %s\n",isatty(2)? "tty" : "not a tty");    printf("Test ttyname...\n");    if(isatty(0))    {        name = ttyname(0);        if(name == NULL)            name ="undefined";    }    else        name = "not a tty";    printf("fd 0 :%s\n", name);    if(isatty(1))    {        name = ttyname(1);        if(name == NULL)            name ="undefined";    }    else        name = "not a tty";    printf("fd 1 :%s\n",name);    if(isatty(2))    {        name = ttyname(2);        if(name == NULL)            name ="undefined";    }    else        name = "not a tty";    printf("fd 2 :%s\n",name);    exit(0);}

输出结果：

./tty < /dev/console 2> /dev/nullterminate name is: /dev/ttyMterminate name is: /dev/ttyTest isatty...fd 0 is: ttyfd 1 is: ttyfd 2 is: not a ttyTest ttyname...fd 0 :/dev/consolefd 1 :/dev/pts/1fd 2 :not a tty

终端的窗口大小

内核为每个终端和伪终端保存了一个窗口大小结构 winszie，

1. 用 ioctl 函数的 TIOCGWINSZ 命令可以获取此结构的当前值；
2. 也可以通过 ioctl 的 TIOCSWINSZ 命令可以将此结构体的新值存放到内核中，如果新值与存放在内核中的当前值不同，则会向前台进程组发送 SIGWINCH 信号，系统对此信号的默认处理是忽略该信号；
3. 当前终端窗口大小发生变化时，也会产生 SIGWINCH 信号；

/* 终端的窗口大小 *//* 窗口大小的结构体 */struct winsize{    unsigned short ws_row;      /* row, in characters */    unsigned short ws_col;      /* columns, in characters */    unsigned short ws_xpixel;   /* horizontal size, pixels (unused) */    unsigned short ws_ypixel;   /* vertical size, pixels (unused) */};

下面程序实现打印当前终端的窗口大小：

#include "apue.h"#include <termios.h>#include <sys/ioctl.h>#include <signal.h>static void pr_winsize(int fd){    struct  winsize size;    if(ioctl(fd,TIOCGWINSZ,(char *)&size) < 0)        err_sys("ioctl error");    printf("%d rows, %d columns\n", size.ws_row, size.ws_col);}static void sig_winch(int signo){    printf("SIGWINCH received\n");    pr_winsize(STDIN_FILENO);}int main(){    if(isatty(STDIN_FILENO) == 0)    {        printf("STDIN_FILENO is not terminate device.\n");        exit(1);    }    if(signal(SIGWINCH, sig_winch) == SIG_ERR)        err_sys("signal error");    pr_winsize(STDIN_FILENO);    for( ; ;)     pause();}

输出结果：

/* 改变终端的窗口大小时会发送信号 SIGWINCH */24 rows, 80 columnsSIGWINCH received24 rows, 79 columns^C

参考资料：

《UNIX高级环境编程》