《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：

[cpp] view plaincopy

1. /* 终端IO */  
2.   
3. /* 终端IO的数据结构 */  
4. #include <termios.h>  
5. struct termios  
6. {  
7.     tcflag_t    c_iflag;    /* input flag */  
8.     tcflag_t    c_oflag;    /* output flag */  
9.     tcflag_t    c_cflag;    /* control flag */  
10.     tcflag_t    c_lflag;    /* local flag */  
11.     cc_t        c_cc[NCCS]; /* control characters */  
12. };  

        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：

[cpp] view plaincopy

1. /*_______________________________________ 
2.  *   函数             说明 
3.  *_______________________________________ 
4.  * tcgetattr        获取属性 
5.  * tcsetattr        设置属性 
6.  *_______________________________________ 
7.  * cfgetispeed      得到输入速度 
8.  * cfgetospeed      得到输出速度 
9.  * cfsetispeed      设置输入速度 
10.  * cfsetospeed      设置输出速度 
11.  *_______________________________________ 
12.  * tcdrain          等待所有输出都被传输 
13.  * tcflow           挂起传输或接收 
14.  * tcflush          刷清未决输入和/或输出 
15.  * tcsendbreak      送BREAK字符 
16.  *_______________________________________ 
17.  * tcgetpgrp        得到前台进程组ID 
18.  * tcsetpgrp        设置前台进程组ID 
19.  * tcgetsid         得到控制TTY的会话首进程的进程组ID 
20.  *_______________________________________ 
21.  * 
22.  */  

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：

[cpp] view plaincopy

1. /* 
2.  * 函数功能：获取和设置终端属性； 
3.  * 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1； 
4.  * 函数原型： 
5.  */  
6. #include <termios.h>  
7.   
8. int tcgetattr(int filedes, struct termios *termptr);/* 获取终端属性 */  
9.   
10. int tcsetattr(int filedes, int opt, const struct termios *termptr);/* 设置终端属性 */  
11. /* 
12.  * 说明： 
13.  * filed是终端设备描述符； 
14.  * 
15.  * opt参数可以指定为以下的值： 
16.  * TCSANOW          更改立即生效； 
17.  * 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； 
18.  * 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； 
19.  */  

测试程序：

[cpp] view plaincopy

1. #include "apue.h"  
2. #include <termios.h>  
3.   
4. int main()  
5. {  
6.     struct termios term;  
7.     //获取termios结构  
8.     if(tcgetattr(STDIN_FILENO,&term) < 0)  
9.         err_sys("tcgetattr error");  
10.     switch(term.c_cflag & CSIZE)  
11.     {  
12.     case CS5:  
13.         printf("5 bits/byte\n");  
14.         break;  
15.     case CS6:  
16.         printf("6 bits/byte\n");  
17.         break;  
18.     case CS7:  
19.         printf("7 bits/byte\n");  
20.         break;  
21.     case CS8:  
22.         printf("8 bits/byte\n");  
23.         break;  
24.     default:  
25.         printf("Unknown bityes/byte\n");  
26.     }  
27.     term.c_cflag &= ~CSIZE;   //字符长度清0  
28.     term.c_cflag |= CS5;          //设置为8 bites/byte  
29.     if(tcsetattr(STDIN_FILENO,TCSANOW,&term) < 0)  
30.         err_sys("tcsetattr error");  
31.     exit(0);  
32. }  

输出结果：

[cpp] view plaincopy

1. 8 bits/byte  

波特率函数

[cpp] view plaincopy

1. /* 
2.  * 函数功能：获取和设置终端波特率； 
3.  * 函数原型： 
4.  */  
5. #include <termios.h>  
6. /* 返回值：若成功则返回波特率值 */  
7. speed_t cfgetispeed(const struct termios *termptr);/* 获取输入波特率 */  
8.   
9. speed_t cfgetospeed(const struct termios *termptr);/* 获取输出波特率 */  
10. /* 返回值：若成功则返回0，出错则返回-1；*/  
11. int cfsetispeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输入波特率 */  
12.   
13. int cfsetospeed(struct termios *termptr, speed_t speed);/* 设置输出波特率 */  

行控制函数

[cpp] view plaincopy

1. /* 
2.  * 函数功能：终端设备的行控制； 
3.  * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1； 
4.  * 函数原型： 
5.  */  
6. #include <termios.h>  
7.   
8. int tcdrain(int filedes);  
9. int tcflow(int filedes, int action);  
10. int tcflush(int filedes, int queue);  
11. int tcsendbreak(int filedes, int duration);  
12. /* 
13.  * 说明： 
14.  * action参数取值如下： 
15.  * TCOOFF       输出被挂起； 
16.  * TCOON        重新启动以前被挂起的输出； 
17.  * TCIOFF       系统发送一个STOP字符，将使终端设备暂停发送数据； 
18.  * TCION        系统发送一个START字符，将使终端设备恢复发送数据； 
19.  * 
20.  * queue参数取值如下： 
21.  * TCIFUSH      刷清输入队列； 
22.  * TCOFUSH      刷清输出队列； 
23.  * TCIOFUSH      刷清输入、输出队列； 
24.  */  

终端标识

下面是一些对控制终端操作的函数，其定义如下：

[cpp] view plaincopy

1. /* 终端标识 */  
2.   
3. /* 
4.  * 函数功能：确定控制终端的名字； 
5.  * 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； 
6.  * 函数原型： 
7.  */  
8. #include <stdio.h>  
9. char * ctermid(char *ptr);  
10. /* 
11.  * 说明： 
12.  * 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； 
13.  * 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； 
14.  */  
15.   
16. /* 
17.  * 函数功能：控制终端的操作； 
18.  * 函数原型： 
19.  */  
20. #include <unistd.h>  
21. int isatty(int filedes);  
22. /* 返回值：若为终端设备则返回1（真），否则返回0（假）*/  
23.   
24. char *ttyname(int filedes);  
25. /* 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：

[cpp] view plaincopy

1. #include "apue.h"  
2. #include <termios.h>  
3. static char ctermid_name[L_ctermid];  
4. char *Mctermid(char *str)  
5. {  
6.     if(str == NULL)  
7.         str = ctermid_name;  
8.     return (strcpy(str,"/dev/tty"));  
9. }  
10. int main()  
11. {  
12.     char tername[50];  
13.     char *name;  
14.     ctermid(tername);  
15.     printf("terminate name is: %s\n", tername);  
16.   
17.     Mctermid(tername);  
18.     printf("Mterminate name is: %s\n", tername);  
19.     printf("Test isatty...\n");  
20.     printf("fd 0 is: %s\n",isatty(0)? "tty" : "not a tty");  
21.     printf("fd 1 is: %s\n",isatty(1)? "tty" : "not a tty");  
22.     printf("fd 2 is: %s\n",isatty(2)? "tty" : "not a tty");  
23.     printf("Test ttyname...\n");  
24.     if(isatty(0))  
25.     {  
26.         name = ttyname(0);  
27.         if(name == NULL)  
28.             name ="undefined";  
29.     }  
30.     else  
31.         name = "not a tty";  
32.     printf("fd 0 :%s\n", name);  
33.     if(isatty(1))  
34.     {  
35.         name = ttyname(1);  
36.         if(name == NULL)  
37.             name ="undefined";  
38.     }  
39.     else  
40.         name = "not a tty";  
41.     printf("fd 1 :%s\n",name);  
42.     if(isatty(2))  
43.     {  
44.         name = ttyname(2);  
45.         if(name == NULL)  
46.             name ="undefined";  
47.     }  
48.     else  
49.         name = "not a tty";  
50.     printf("fd 2 :%s\n",name);  
51.     exit(0);  
52. }  

输出结果：

[cpp] view plaincopy

1. ./tty < /dev/console 2> /dev/null  
2. terminate name is: /dev/tty  
3. Mterminate name is: /dev/tty  
4. Test isatty...  
5. fd 0 is: tty  
6. fd 1 is: tty  
7. fd 2 is: not a tty  
8. Test ttyname...  
9. fd 0 :/dev/console  
10. fd 1 :/dev/pts/1  
11. fd 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；

[cpp] view plaincopy

1. /* 终端的窗口大小 */  
2.   
3. /* 窗口大小的结构体 */  
4. struct winsize  
5. {  
6.     unsigned short ws_row;      /* row, in characters */  
7.     unsigned short ws_col;      /* columns, in characters */  
8.     unsigned short ws_xpixel;   /* horizontal size, pixels (unused) */  
9.     unsigned short ws_ypixel;   /* vertical size, pixels (unused) */  
10. };  

下面程序实现打印当前终端的窗口大小：

[cpp] view plaincopy

1. #include "apue.h"  
2. #include <termios.h>  
3. #include <sys/ioctl.h>  
4. #include <signal.h>  
5.   
6. static void pr_winsize(int fd)  
7. {  
8.     struct  winsize size;  
9.     if(ioctl(fd,TIOCGWINSZ,(char *)&size) < 0)  
10.         err_sys("ioctl error");  
11.     printf("%d rows, %d columns\n", size.ws_row, size.ws_col);  
12. }  
13. static void sig_winch(int signo)  
14. {  
15.     printf("SIGWINCH received\n");  
16.     pr_winsize(STDIN_FILENO);  
17. }  
18. int main()  
19. {  
20.     if(isatty(STDIN_FILENO) == 0)  
21.     {  
22.         printf("STDIN_FILENO is not terminate device.\n");  
23.         exit(1);  
24.     }  
25.     if(signal(SIGWINCH, sig_winch) == SIG_ERR)  
26.         err_sys("signal error");  
27.     pr_winsize(STDIN_FILENO);  
28.     for( ; ;)  
29.      pause();  
30. }  

输出结果：

[cpp] view plaincopy

1. /* 改变终端的窗口大小时会发送信号 SIGWINCH */  
2. 24 rows, 80 columns  
3. SIGWINCH received  
4. 24 rows, 79 columns  
5. ^C