Linux的控制台（TTY/PTY）与多任务（MULTI-TASKING）

翔子

原文: [url=https://blog.kghost.info/2012/08/20/tty-multi-tasking/]https://blog.kghost.info/2012/08/20/tty-multi-tasking/

Linux是一个多任务操作系统，可以方便的在一个控制台（或shell）下同时执行多条命令，达到这样的目标并不是一件容易的事情。本文帮助理解下面几个跟控制台有关的概念：tty/pty，control terminal，session，process group，signal；并设计实现一个多任务控制程序

bash 的多任务支持

熟悉Linux的同学都知道，bash支持同时跑多个任务，下面先简单演示一下 bash 的多任务。首先，运行一个 cat 命令，然后通过 Ctrl+Z 中断这个 cat 回到 bash：

$ cat^Z[1]+  Stopped                 cat

然后，我们可以再运行一个 cat 任务，这回让 cat 干点活，继续用 Ctrl+Z 中断：

$ cat /dev/urandom > /dev/null^Z[2]+  Stopped                 cat /dev/urandom > /dev/null

这样我们就有了两个 cat 任务在后台，通过 bash 内置的 jobs 命令可以查看后台的任务：

$ jobs[1-  Stopped                 cat[2]+  Stopped                 cat /dev/urandom > /dev/null

大家可以看到，这两条命令都处于 Stopped 状态，现在我们通过 bg 命令让第二个 cat 在后台运行：

$ bg 2[2]+ cat /dev/urandom > /dev/null &$ jobs[1]+  Stopped                 cat[2-  Running                 cat /dev/urandom > /dev/null &

这时可以看到，第二个 cat 变成蓝 Running 状态，同时我机器的 CPU 温度也飚上来了。我们还可以通过 fg 命令让第一个 cat 到前台执行：

$ fg 1cat

现在这个 cat 又恢复到等待我的输入的状态了。这样看来，好像 multi-tasking 是一件非常简单的事情，那么请尝试回答下面几个问题：

Q1. 如何中断/继续程序的运行？Q2. 如何防止后台运行的程序互相抢夺控制台输入？TTY - signal 转换

首先，回答第一个问题

Q1. 如何中断/继续程序的运行？

很简单，通过两个 signal 就可以控制程序中断/运行：

$ man 7 signal       ...       SIGCONT   19,18,25    Cont    Continue if stopped       SIGSTOP   17,19,23    Stop    Stop process       ...

于是某同学就在 bash 的代码里面找关于这两个 signal 的代码，但是他只找到了 fg/bg 命令给程序发送了 SIGCONT，没有找到关于 SIGSTOP 的代码，于是有了下面的问题：

Q1.1: 什么程序给 cat 发送了 SIGSTOP 信号？

通过本小节标题也可以看出，signal 其实是 TTY 发送的：

$ stty -aspeed 38400 baud; rows 51; columns 185; line = 0;.... susp = ^Z; ............

看到了里面的 susp = ^Z 了么，这个设置的意思就是一旦 TTY 收到了 Ctrl-Z 就会把其转换成 SIGSTOP 信号？同理我们可以设置 Ctrl-N 为挂起的快捷键

$ stty susp ^N$ cat^N[1]+  Stopped                 cat

由于所有的信号都是 tty 控制的，我们也可以修改 Ctrl-C/S/Q 等所有信号快捷键的行为，那么这里又有了下面这个问题：

Q3. 哪些程序会收到 TTY 来的信号？如果当前 TTY 来的信号所有程序都能收到，那么 Ctrl-C 会不会连后台程序一起杀掉？

这个问题先卖个关子，下面介绍一下process group。

process group

这里先启动一些进程：

$ google-chrome &[1 26077$ cat | cat

我在这个 bash session 里面启动了3个进程，一个 google-chrome，两个 cat。chrome 又继续启动了很多进程。为了方便理解画张图，理清 TTY，session 与 process group 之间的关系：

┌─────────────────────────────────────┐              │ Session                             │┌─────┐  One  │  ┌────────────────────────────────┐ ││ TTY │<──on─>│  │ Process group                  │ │└─────┘  One  │  │   bash                         │ │              │  └────────────────────────────────┘ │              │  ┌────────────────────────────────┐ │              │  │ Active process group           │ │              │  │   cat                          │ │              │  │   cat                          │ │              │  └────────────────────────────────┘ │              │  ┌────────────────────────────────┐ │              │  │ process group                  │ │              │  │   /opt/google/chrome/chrome    │ │              │  │    \_ /opt/google/chrome/chrome│ │              │  │    \_ /opt/google/chrome/chrome│ │              │  │    \_ /opt/google/chrome/chrome│ │              │  └────────────────────────────────┘ │              └─────────────────────────────────────┘

每个 TTY 对应一个 session，session 是由 login (ssh/getty/…) 程序创建的，bash 仅仅是继承了这个 session。每个 session 里面有若干个 process group，每当 bash 创建（fork）一个进程的时候，在运行程序（exec*）前，都会为这个进程创建一个新的 process group。每个 process group 中只有一个 group 处于 active 状态，由 bash 控制哪个进程处于 active 状态。每个 process group 里面有若干个进程。为什么要这样设计，且听我慢慢道来。大家是否还记得前面留下的两个悬而未决的问题：

Q2. 如何防止后台运行的程序互相抢夺控制台输入？Q3. 哪些程序会收到 TTY 来的信号？如果当前 TTY 来的信号所有程序都能收到，那么 Ctrl-C 会不会连后台程序一起杀掉？

有了 process group 的概念，回答这两个问题就非常简单了，只有处于 Active 内的进程能够获取控制台输入，并且 signal 只发送给 Active 内的进程。当有后台运行的进程想要读取控制台的时候（比如后台运行一个 cat），tty 会向其发送 SIGSTOP 信号，挂起此程序，你会发现，企图让 cat 后台运行是不可能的。当用户按下 Ctrl-C 或者 Ctrl-Z 的时候，只有前台的进程会收到相应的信号，并执行相应的操作。由于 bash 的特殊设计，用户是无法让两个程序同时读取控制台的，如果有人实在无聊，写了个程序 fork 出几个前台进程读取控制台（比如笔者），还是会出现抢占的现象：

int main() {        if (fork())                execlp("awk", "awk", "{ print \"parent:\" $0 }", 0);        else                execlp("awk", "awk", "{ print \"child:\" $0 }", 0);}

用户的输入会随机传给 parent 或者 child，并且结果是不可预测的。

多任务控制的实现

前面介绍的多任务控制的原理，下面我们设计一个多任务控制程序，实现和 bash 一样的功能：

• 在前台有任务执行的时候等待
  
  

set processGroupsint startCommand(char *cmd) {  int pid = fork();  if (pid) {    int = waitpid(pid); // 等待命令返回（结束或者挂起）    return status;  } else {    int mypid = getpid()    pgid = setpgid(); // 建立新的 process group    tcsetpgrp(pgid); // 设置当前 group 为 active    processGroups.add(mypid)    exec(cmd); // 运行命令  }}

• 可以随时挂起前台执行的任务
  
  

挂起程序完全由 tty 完成，只需要在 waitpid 后面检查前台程序是结束了，还是被挂起了，如果是挂起了，需要把控制台输入权限返还给 bash：

...switch(startCommand(cmd)) {case exit:  processGroups.remove(pid);  break;case suspend:  break; // do nothing}tcsetpgrp(getpgid()); // 拿回 active process group

• bg 命令切换后台执行任务
  
  

只需要向程序发送 SIGCONT 信号：

void bg(pid) {  if (issuspended(pid))    kill(pid, SIGCONT);}

• fg 命令把任务切换到前台
  
  

先让程序继续执行，然后转移 active process group：

int fg(pid) {  bg(pid);  tcsetpgrp(getpgid(pid));  return waitpid(pid);}

• jobs 命令查看当前任务
  
  

for (pid in processGroups)  print pid;

这样我们就实现了一个多任务控制程序，由于 tty 设备的存在，使得实现多任务控制轻松了很多。Windows 下是没有 tty 设备的，于是控制台程序就有很多限制，比如无法实现一个能够获取 Ctrl-C 输入的控制台程序，只有去拦截 interrupt 信号。上面这些内容估计只有 bash 的设计师才会关注，但是下面的内容就是几乎每个 linux 程序员都会关注的内容。

daemon 程序的实现

daemon 进程就是要与 TTY 划开界限，所有东西都不依赖 TTY，那么结果就非常简单了，因为 TTY 和 session 是一一对应的关系，我们新建一个 session 就等于把与原来 TTY 有关的东西完全抛开了：

void daemonize(char *cmd) {  close(0);  close(1);  close(2);  if (fork())    exit(0);  else {    setsid();    exec(cmd);  }}