详解Linux的交互式命令行(Shell、TTY子系统、TTY设备、TTY名字的来历、TTY设备文件、几个特殊的TTY设备文件、终端的两个含义、被作为控制台的终端)

昊虹AI笔记

已于 2025-03-15 21:12:49 修改

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分类专栏： Linux系统 Ubuntu 文章标签： linux

于 2025-02-03 18:28:07 首次发布

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Shell、TTY子系统、终端的概念和作用

Linux系统的交互式命令行的组成

Linux系统的交互式命令行由Shell和TTY子系统构成实现。

Shell和TTY子系统的概念和作用

Shell是一个运行于用户空间的应用程序，它负责命令的解析、执行和执行结果的输出，它需要有设备为它提供命令内容的输入和接收它的输出，这个设备就由TTY子系统来提供。TTY子系统是一个分层的框架结构，我们可以把TTY子系统看成是面向对象编层中的一个类，这个类的一个实例就是一个TTY设备，一个TTY设备对应于一个设备文件。Shell如果要进入输入输出操作，那么去操作这个TTY设备文件就可以了。

上面这段话大家可以结合下面这幅TTY子系统的框架结构图来理解：
在这里插入图片描述

终端的概念和作用

终端有两个含义，我们这里先说它在TTY框架中的含义，另一个含义放到下一个目录中讲。

终端在TTY框架中的含义如下：
终端是TTY子系统中的概念，它位于“TTY I/O”层和“行规程(line discipline)”层之间，它实际上可以看成是“TTY I/O”层的输入/输出接口。
从图中我们可以看到，终端层根据底层的设备数不同，具体的实现结构也不一样，对应的终端类型也不一样。
情况一：底层设备为1个的情况：
比如运行在开发板上的Linux系统，键盘和显示器借用的是PC的，开发板与PC之间通过串口来进行通信，所以对于运行在开发板上的Linux系统，完成一条命令的输入和输出显示需要的只是1个串口设备而已，此时终端层的具体实现为空，即终端层不需要额外的代码(无实际功能)，此时串口的输入和输出经行规程(line discipline)处理后，直接就送给了“TTY I/O”层。这种情况下的终端被称为叫“串口终端”。
情况二：底层设备为2个的情况：
比如在PC上运行的Ubuntu中的交互式命令行，则需要键盘和显示器一起，才能实现一条命令的输入和输出显示，此时终端对应的底层实现设备有两个，即键盘和显示器，此时就需要终端层提供一个有实际功能的终端，把这两个底层设备在逻辑上合并在一起后提供给“TTY I/O”层。这种情况下的终端被称为叫“虚拟终端”，又称为虚拟控制台(virtual console)。

细说Shell的作用

然后再来细说下Shell。Shell负责命令的解析和执行，它是一个 用户空间的应用程序，它的任务是：

读取 TTY 设备传来的输入（命令）。
解析命令并执行（如 ls、cd、echo）。
将执行结果传递给TTY设备。
处理管道、重定向、环境变量等（如 ls | grep txt）。
提供交互功能（如命令补全、历史记录）。

两个实际的命令行交互例子

例子1：在PC上的Ubuntu上进行命令行交互

假设你在PC上的Ubuntu的命令行输入下面的命令：

ls -l

则内部发生的流程如下：

键盘输入 ls -l，TTY 结构中的底层设备驱动（如 keyboard.c）捕获输入数据，并传递给TTY结构中的行规程。
TTY结构中的行规程层→虚拟终端→“TTY I/O”层依次处理并传递数据，“TTY I/O”层最终把数据传递给用户空间的 Shell程序。
Shell 解析命令 ls -l，查找 /bin/ls 并执行该程序。
ls 进程运行，产生文件列表输出，将数据写入标准输出（stdout）。
TTY结构中的“TTY I/O”层→虚拟终端→行规程层依次处理并传递数据，将数据传递给底层显示设备（如屏幕）。
用户看到 ls -l 结果，完成了一次命令行交互。

例子2：运行于开发板上的Linux系统利用PC上的SecureCRT完成命令行交互

假设你的嵌入式开发板通过串口与PC相连，并在SecureCRT中输入以下命令：

ls -l

则内部发生的流程如下：

PC端SecureCRT输入 ls -l，SecureCRT 通过串口将数据发送到嵌入式开发板。
嵌入式开发板的串口驱动（如 imx-serial.c）接收数据，并传递给TTY子系统结构中的行规则层，由于没有实际的终端层，所以行规则层处理完后，直接将数据传递给“TTY I/O”层，TTY I/O”层最终把数据传递给用户空间的 Shell程序。说明一下：其实这个串口驱动也是基于TTY子系框架来进行编写和注册的。
Shell 解析命令 ls -l，查找 /bin/ls 并执行该程序。
ls 进程运行，产生文件列表输出，将数据写入标准输出（stdout）。
TTY结构中的“TTY I/O”层将数据接收到后，由于没有实际的终端层，所以“TTY I/O”层直接将数据发给行规则层，行规则层处理完后，将数据传给串口。
串口收到待发送数据后，再把数据发送到PC端，PC端收到数据后再把数据传递给运行于PC上的SecureCRT 。
SecureCRT 接收到数据后进行显示，用户在PC上看到 ls -l 结果，完成了一次命令行交互。