0x01 問題演示

下面是用rust寫的一段測試程序，邏輯非常簡單，就是讀取用戶輸入，然后將其輸出。

運(yùn)行這個程序，然后按Ctrl-C：

由上圖可見，該程序沒有收到任何輸入，當(dāng)然也沒有任何輸出，這個程序就退出了。

為什么Ctrl-C會導(dǎo)致當(dāng)前運(yùn)行程序退出呢？

0x02 程序退出原因

上面的測試程序之所以會退出，是因?yàn)镃trl-C會告訴linux內(nèi)核，讓其發(fā)送SIGINT信號給當(dāng)前運(yùn)行程序，該信號的默認(rèn)行為是殺掉目標(biāo)進(jìn)程，所以就有了上面的現(xiàn)象。

但是，SIGINT信號，以及其他的各種信號，都是可以捕獲的，這樣我們就可以修改信號的默認(rèn)行為，比如將SIGINT信號的默認(rèn)行為，修改成輸出一些日志，而不是殺掉當(dāng)前進(jìn)程。

將上面的測試代碼改成下面的樣子：

上圖中我們捕獲了SIGINT信號，并且在收到該信號后，輸出 got SIGINT。

運(yùn)行看下：

這次再按Ctrl-C，程序就不會退出了，而且還會輸出 got SIGINT。

由上可見，Ctrl-C導(dǎo)致程序退出，確實(shí)是因?yàn)樵摪存I使內(nèi)核發(fā)送了SIGINT信號到目標(biāo)進(jìn)程，進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)進(jìn)程被殺死。

那為什么Ctrl-C會觸發(fā)SIGINT信號呢？

在回答這個問題之前，我們要先了解下terminal emulator，即終端模擬器，的運(yùn)行機(jī)制。

0x03 Terminal Emulator的運(yùn)行機(jī)制

我當(dāng)前使用的terminal emulator為 alacritty，后面如果涉及到terminal emulator的源碼分析，就是基于這個項(xiàng)目。

當(dāng)然，以下講的terminal emulator的運(yùn)行機(jī)制，對于其他terminal emulator也同樣適用。

當(dāng)我們在圖形化界面，打開一個terminal emulator時，terminal emulator會調(diào)用openpty函數(shù)，向linux內(nèi)核申請一個pty數(shù)據(jù)通道，當(dāng)該pty數(shù)據(jù)通道創(chuàng)建成功后，linux內(nèi)核會返回兩個文件描述符，即兩個fd，給terminal emulator，這兩個fd，就代表了新創(chuàng)建pty數(shù)據(jù)通道的兩端，分別為master端和slave端。

當(dāng)向master端的fd寫數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)就可以從slave端的fd讀出來，當(dāng)向slave端的fd寫數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)就能從master端的fd讀出來。

當(dāng)pty數(shù)據(jù)通道創(chuàng)建完畢后，terminal emulator就會調(diào)用fork函數(shù)，啟動一個子進(jìn)程，該子進(jìn)程用來運(yùn)行shell程序，比如bash、zsh等，同時會將該shell的標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出，都設(shè)置為上面通過openpty函數(shù)獲取的slave端的fd。

shell在啟動成功后，會一直等待著從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里接收要執(zhí)行的命令。

當(dāng)terminal emulator啟動成功后，我們就可以在其內(nèi)部輸入命令了，我們輸入的命令，會被terminal emulator寫入到master fd里，這樣在shell子進(jìn)程中，就可以通過標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，接收到這個命令，并開始執(zhí)行。

shell在執(zhí)行接收到的命令時，也是通過fork函數(shù)，創(chuàng)建一個子進(jìn)程，然后在子進(jìn)程里執(zhí)行該命令對應(yīng)的程序。

不過，這里需要注意的是，子進(jìn)程中運(yùn)行的命令程序，其標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出都是繼承自shell，即它的標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出的值都是slave fd。

這樣，當(dāng)命令程序?qū)懭罩镜綐?biāo)準(zhǔn)輸出時，其實(shí)際上是寫到了slave fd里，如此，在terminal emulator里，就可以通過master fd，讀取到這些日志信息，并在terminal emulator里顯示出來。

同樣的道理，當(dāng)我們此時在terminal emulator里輸入內(nèi)容時，該內(nèi)容會被terminal emulator寫入到master fd，進(jìn)而就可以被命令程序進(jìn)程，從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來。

這里大家可能會有個疑問，即shell進(jìn)程和當(dāng)前運(yùn)行的命令程序進(jìn)程，他們的標(biāo)準(zhǔn)輸入都是slave fd，那為什么我們寫入到terminal emulator里的內(nèi)容，是被命令程序進(jìn)程讀出來，而不是被shell進(jìn)程讀出來呢？

這個就涉及到terminal emulator使用權(quán)的概念了。

當(dāng)shell進(jìn)程剛啟動成功后，terminal emulator的使用權(quán)自然是shell的，此時我們在terminal emulator里輸入的內(nèi)容，會被shell從標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來。

當(dāng)shell啟動一個子進(jìn)程，并用該進(jìn)程運(yùn)行命令程序時，它會把terminal emulator的使用權(quán)，轉(zhuǎn)交給該命令程序進(jìn)程，此時我們在terminal emulator里輸入的內(nèi)容，會被該命令程序進(jìn)程從它的標(biāo)準(zhǔn)輸入，即slave fd，里讀出來的。

當(dāng)該命令程序進(jìn)程退出后，linux內(nèi)核會通知shell進(jìn)程，告知它啟動的子命令進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束了，此時shell會把terminal emulator的使用權(quán)轉(zhuǎn)回給自己，進(jìn)而shell又可以開始從terminal emulator接收新的命令了。

下面我們來看一些具體的例子：

上圖是用ps命令輸出的信息，看圖中的選中行，第一行為alacritty進(jìn)程，即我們最開始啟動的terminal emulator，第二行為alacritty啟動的子進(jìn)程，在該子進(jìn)程中，運(yùn)行的是bash程序，第三行為bash啟動的子進(jìn)程，在該子進(jìn)程中，運(yùn)行的是我們文章最開始時使用的測試程序hello。

這三個進(jìn)程的層級關(guān)系，和我們上面的描述是一致的。

我們再來看下alacritty啟動bash子進(jìn)程的相關(guān)代碼：

上圖中make_pty函數(shù)內(nèi)會調(diào)用openpty函數(shù)獲取master fd和slave fd，在獲取到master fd和slave fd后，slave fd被賦值到builder的stdin, stdout, stderr里，這樣，在下面執(zhí)行builder.spawn函數(shù)啟動shell子進(jìn)程時，其標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出就都指向slave fd了。

另外，在上圖中，master fd被保存到了Pty里，并和其他信息一起返回給該函數(shù)的調(diào)用方，這樣，alacritty如果想要發(fā)送數(shù)據(jù)給shell時，就從Pty里獲取到master fd，然后將數(shù)據(jù)寫入到master fd里就好了。

0x04 Ctrl-C是如何處理的

上面我們講過，我們在terminal emulator中輸入的內(nèi)容，會被terminal emulator寫到內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道中，進(jìn)而這些數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)發(fā)給shell進(jìn)程，或者是在shell中運(yùn)行的子進(jìn)程。

那在terminal emulator里按Ctrl-C，也是這么處理的嗎？

首先，Ctrl-C確實(shí)是被當(dāng)作一個字符來處理的，且terminal emulator在接收到這個字符后，會直接寫入到內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道，并不做特殊處理。

但是，在內(nèi)核的pty數(shù)據(jù)通道里，有一個組件叫做 line discipline，它會檢查要被傳輸?shù)淖址绻址髦邪珻trl-C，它就會把Ctrl-C這個特殊字符從字符流中移除掉，并生成一個SIGINT信號，發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程。

如果目標(biāo)進(jìn)程沒有捕獲該信號，內(nèi)核就會執(zhí)行該信號的默認(rèn)行為，即殺掉目標(biāo)進(jìn)程。

以下是生成SIGINT信號的內(nèi)核代碼：

上圖中，光標(biāo)所在行就是在判斷該字符是否是Ctrl-C，如果是，則發(fā)送SIGINT信號給目標(biāo)進(jìn)程。

由上圖我們還可以看到，其實(shí)不止Ctrl-C這個特殊字符會轉(zhuǎn)化成信號，QUIT字符Ctrl-，SUSP字符Ctrl-Z等，都會被轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的信號。

0x05 精致全景圖

以上講了很多理論，下面我們來畫一幅圖，來梳理下完整流程。

首先，在terminal emulator啟動成功后，我們在其中輸入./hello命令，該命令沿著terminal emulator中的第一個輸出箭頭，即第一條虛線，經(jīng)由內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)bash進(jìn)程的stdin。

然后，bash從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取到要執(zhí)行的命令./hello，fork一個新的子進(jìn)程，并在子進(jìn)程中開始執(zhí)行hello程序，此時bash也把terminal emulator的使用權(quán)交給了hello進(jìn)程。

hello程序在開始運(yùn)行后，就嘗試從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取數(shù)據(jù)。

接著，我們在terminal emulator中再輸入hello world，該數(shù)據(jù)會沿著terminal emulator中的第二個輸出箭頭，即第一條實(shí)線，經(jīng)由pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)hello進(jìn)程的stdin。

hello進(jìn)程從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀到hello world字符串，然后直接將其寫入到了標(biāo)準(zhǔn)輸出，該數(shù)據(jù)又經(jīng)由內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)terminal emulator的master fd端。

terminal emulator從master fd中讀取到hello world字符串，并將其顯示在界面中。

hello進(jìn)程在寫完hello world字符串后，自己主動退出，bash檢測到hello進(jìn)程退出后，又把terminal emulator的使用權(quán)轉(zhuǎn)回給自己。

bash寫命令提示符>到標(biāo)準(zhǔn)輸出，該數(shù)據(jù)再經(jīng)由pty數(shù)據(jù)通道到達(dá)terminal emulator的master fd端。

terminal emulator從master fd中讀取到bash的命令提示符，并將其顯示在界面上，提示用戶可以輸入下一條命令了。

以上就是在terminal emulator中執(zhí)行hello程序的完整流程。

從上圖中我們還可以看到，假設(shè)我們在terminal emulator中按Ctrl-C，該數(shù)據(jù)在到達(dá)內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道時，line discipline組件會將其轉(zhuǎn)換成SIGINT信號，并發(fā)給目標(biāo)進(jìn)程。

這個也解答了我們此篇文章的疑問，現(xiàn)在你應(yīng)該豁然開朗了吧。

另外，內(nèi)核中 line discripline 組件的能力也是可以被修改的，比如我們可以修改成按Ctrl-B觸發(fā)SIGINT信號，甚至是直接關(guān)閉SIGINT信號的生成，具體方式，可以查看stty命令的man文檔。

審核編輯：劉清