2018-11-07【Linux终端I/O】

1.终端I/O的工作方式

终端I/O有两种不同的工作方式：

规范方式输入处理。在这种方式中，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。
非规范方式输入处理。输入字符不以行为单位进行装配。
如果不作特殊处理，则默认方式是规范方式。

V7和BSD类的终端驱动程序支持三种终端输入方式：

精细加工方式(输入装配成行，并对特殊字符进行处理)；
原始方式(输入不装配成行，也不对特殊字符进行处理)；
cbreak方式(输入不装配成行，但对某些特殊字符进行处理)。

2.termios结构

struct termios {
    tcflag_t c_iflag; /* Input modes */
    tcflag_t c_oflag; /* Output modes */
    tcflag_t c_cflag; /* Control modes */
    tcflag_t c_lflag; /* Local modes */
    cc_t c_cc[NCCS]; /* Control characters */
};

各个字段的选项如下(不是所有UNIX系统都支持)：

c_iflag：
BRKINT：接到BREAK时产生SIGINT；
ICRNL：将输入的CR转换为NL；
IGNBRK：忽略BREAK条件；
IGNCR：忽略CR；
IGNPAR：忽略奇偶错字符；
IMAXBEL：在输入队列空时振铃；
INLCR：将输入的NL转换为CR；
INPCK：打开输入奇偶校验；
ISTRIP：剥除输入字符的第8位；
IUCLC：将输入的大写字符转换成小写字符(仅SVR4)；
IXANY：使任一字符都重新起动输出；
IXOFF：使起动/停止输入控制流起作用；
IXON：使起动/停止输出控制流起作用；
PARMRK：标记奇偶错；
c_oflag：
BSDLY：退格延迟屏蔽(仅SVR4)；
CRDLY：CR延迟屏蔽(仅SVR4)；
FFDLY：换页延迟屏蔽(仅SVR4)；
NLDLY：NL延迟屏蔽(仅SVR4)；
OCRNL：将输出的CR转换为NL(仅SVR4)；
OFDEL：填充符为DEL，否则为NUL(仅SVR4)；
OFILL：对于延迟使用填充符(仅SVR4)；
OLCUC：将输出的小写字符转换为大写字符(仅SVR4)；
ONLCR：将NL转换为CR-NL；
ONLRET：NL执行CR功能(仅SVR4)；
ONOCR：在0列不输出CR(仅SVR4)；
ONOEOT：在输出中删除EOT字符(仅4.3+BSD)；
OPOST：执行输出处理；
OXTABS：将制表符扩充为空格(仅4.3+BSD)；
TABDLY：水平制表符延迟屏蔽(仅SVR4)；
VTDLY：垂直制表符延迟屏蔽(仅SVR4)；
c_cflag：
CCTS_OFLOW：输出的CTS流控制(仅4.3+BSD)；
CIGNORE：忽略控制标志(仅4.3+BSD)；
CLOCAL：忽略解制解调器状态行；
CREAD：启用接收装置；
CRTS_IFLOW：输入的RTS流控制(仅4.3+BSD)；
CSIZE：字符大小屏蔽；
CSTOPB：送两个停止位，否则为1位；
HUPCL：最后关闭时断开；
MDMBUF：经载波的流控输出(仅4.3+BSD)；
PARENB：进行奇偶校；
PARODD：奇校，否则为偶校；
c_lflag：
ALTWERASE：使用替换WERASE算法(仅4.3+BSD)；
ECHO：进行回送；
ECHOCTL：回送控制字符为^(char)；
ECHOE：可见擦除符；
ECHOK：回送kill符；
ECHOKE：kill的可见擦除；
ECHONL：回送NL；
ECHOPRT：硬拷贝的可见擦除方式；
FLUSHO：刷清输出；
ICANON：规范输入；
IEXTEN：使扩充的输入字符处理起作用；
ISIG：使终端产生的信号起作用；
NOFLSH：在中断或退出键后不刷清；
NOKERNINFO：STATUS不使内核输出(仅4.3+BSD)；
PENDIN：重新打印；
TOSTOP：对于后台输出发送SIGTTOU；
XCASE：规范大/小写表示(仅SVR4)；

所有列出的选择标志(除屏蔽标志外)都用一或多位表示，而屏蔽标志则定义多位。屏蔽标志有一个定义名，每个值也有一个名字。例如，为了设置字符长度，首先用字符长度屏蔽标志CSIZE将表示字符长度的位清0，然后设置下列值之一：CS5、CS6、CS7或CS8。由SVR4支持的6个延迟值也有屏蔽标志：BSDLY、CRDLY、FFDLY、NLDLY、TABDLY和VTDLY。

各个标志的含义参考： https://www.gwduan.com/web/computer/history/unix-prog/terminal.html#special-char

4.POSIX终端I/O函数：

Fcn	Description
tcgetattr	取属性(termios结构)；
tcsetattr	设置属性(termios结构)；
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；

5.tcgetattr和tcsetattr

#include <termios.h>
int tcgetattr(int filedes, struct termios *termptr);
int tcsetattr(int filedes, int opt, const struct termios *termptr);
两个函数返回：若成功则为0，若出错则为-1

这两个函数都有一个指向termios结构的指针作为其参数，它们返回当前终端的属性，或者设置该终端的属性。因为这两个函数只对终端设备进行操作，所以若filedes并不引用一个终端设备则出错返回，errno设置为ENOTTY。

tcsetattr的参数opt使我们可以指定在什么时候新的终端属性才起作用。opt可以指定为下列常数中的一个：

TCSANOW：更改立即发生；
TCSADRAIN：发送了所有输出后更改才发生。若更改输出参数则应使用此选择项。
TCSAFLUSH：发送了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(刷清)。

tcsetattr函数的返回值易于产生混淆。如果它执行了任意一种所要求的动作，即使未能执行所有要求的动作，它也返回0(表示成功)。如果该函数返回0，则我们有责任检查该函数是否执行了所有要求的动作。这就意味着，在调用tcsetattr设置所希望的属性后，需调用tcgetattr，然后将实际终端属性与所希望的属性相比较，以检测两者是否有区别。

6.波特率函数

波特率(baud rate)是一个历史沿用的术语，现在它指的是“位/每秒”。虽然大多数终端设备对输入和输出使用同一波特率，但是只要硬件许可，可以将它们设置为两个不同值。

#include <termios.h>
speed_t cfgetispeed(const struct termios *termptr);
speed_t cfgetospeed(const struct termios *termptr);
两个函数返回：波特率值

int cfsetispeed(struct termios *termptr, speed_t speed);
int cfsetospeed(struct termios *termptr, speed_t speed);
两个函数返回：若成功为0，出错为-1

两个cfget函数的返回值，以及两个cfset函数的speed参数都是下列常数之一：B50、B75、B110、B134、B150、B200、B300、B600、B1200、B1800、B2400、B4800、B9600、B19200或B38400。常数B0表示“挂断”。在调用tcsetattr时将输出波特率指定为B0，则调制解调器的控制线就不再起作用。

使用这些函数时，应当理解输入、输出波特率是存放在termios结构中的。在调用任一cfget函数之前，先要用tcgetattr获得设备的termios结构。与此类似，在调用任一cfset函数后，应将波特率设置到termios结构中。为使这种更改影响到设备，应当调用tcsetattr函数。如果所设置的波特率有错，则在调用tcsetattr之前，不会发现这种错误。

7.行控制函数

#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);
四个函数返回：若成功则为0，若出错则为-1

其中，参数filedes引用一个终端设备，否则出错返回，errno设置为ENOTTY。

tcdrain函数等待所有输出都被发送。

tcflow用于对输入和输出流控制进行控制。action参数应当是下列四个值之一：

TCOOFF：输出被挂起；
TCOON：以前被挂起的输出被重新起动；
TCIOFF：系统发送一个STOP字符。这将使终端设备暂停发送数据；
TCION：系统发送一个START字符。这将使终端恢复发送数据。
tcflush函数刷清(抛弃)输入缓存(终端驱动程序已接收到，但用户程序尚未读)或输出缓存(用户程序已经写，但尚未发送)。queue参数应当是下列三个常数之一：

TCIFLUSH：刷清输入队列；
TCOFLUSH：刷清输出队列；
TCIOFLUSH：刷清输入、输出队列；
tcsendbreak函数在一个指定的时间区间内发送连续的0位流。若duration参数为0，则此种发送延续0.25~ 0.5秒之间。POSIX.1说明若duration非0，则发送时间依赖于实现。

8.终端标识函数

POSIX.1提供了一个运行时函数，可被调用来决定控制终端的名字:

#include <stdio.h>
char * ctermid(char *ptr);

如果ptr是非空，则它被认为是一个指针，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。常数L_ctermid定义在<stdio.h>中。若ptr是一个空指针，则该函数为数组(通常作为静态变量)分配空间。同样，进程的控制终端名存放在该数组中。

在这两种情况中，该数组的起始地址被作为函数值返回。因为大多数UNIX系统都使用/dev/tty作为控制终端名，所以此函数的主要作用是帮助提高向其他操作系统的可移植性。

其他终端标识函数还有：

#include <unistd.h>
int isatty(int filedes);
返回：若为终端设备则为1(真)，否则为0(假)

char *ttyname(int filedes);
返回：指向终端路径名的指针，若出错则为NULL

如果文件描述符引用一个终端设备，则isatty返回真，而ttyname则返回在该文件描述符上打开的终端设备的路径名。

9.规范方式

规范方式发一个读请求，当一行已经输入后，终端驱动程序即返回。许多条件造成读返回：

所要求的字节数已读到时读即返回。无需读一个完整的行。如果读了部分行，那么也不会丢失任何信息―下一次读从前一次读的停止处开始。
当读到一个行定界符时，读返回。在规范方式中，下列字符被解释为“行结束”：NL、EOL、EOL2和EOF。另外，如若已设置ICRNL，但未设置IGNCR，则CR字符的作用与NL字符一样，所以它也终止一行。在这五个行定界符中，其中只有一个EOF符在终端驱动程序对其进行处理后即被删除。其他四个字符则作为该行的最后一个字符返回调用者。
如果捕捉到信号而且该函数并不自动再起动，则读也返回。

10.非规范方式

将termios结构中c_lflag字段的ICANON标志关闭就使终端处于非规范方式。在非规范方式中，输入数据不装配成行，不处理下列特殊字符：ERASE、KILL、EOF、NL、EOL、EOL2、CR、REPRINT、STATUS和WERASE。

在非规范方式下，由于不是每次返回一行，解决读的方法是：当已读了指定量的数据后，或者已经过了给定量的时间后，即通知系统返回。

这种技术使用termios结构中c_cc数组的两个变量：MIN和TIME。c_cc数组中的这两个元素的下标名为：VMIN和VTIME。

MIN说明一个read返回前的最小字节数。TIME说明等待数据到达的分秒数(秒的1/10为分秒)。有下列四种情形：

情形A：MIN > 0, TIME > 0。TIME说明一个字节间的计时器，在接到第一个字节时才起动它。在该计时器超时之前，若已接到MIN个字节，则read返回MIN个字节。如果在接到MIN个字节之前，该计时器已超时，则read返回已接收到的字节(因为只有在接到第一个字节时才起动，所以在计时器超时时，至少返回1个字节)。在这种情形中，在接到第一个字节之前，调用者阻塞。如果在调用read时数据已经可用，则这如同在read后，数据立即被接收到一样。
情形B：MIN > 0 , TIME = = 0。已经接到了MIN个字节时，read才返回。这可以造成read无限期的阻塞。
情形C：MIN = = 0，TIME > 0。TIME指定了一个调用read时起动的读计时器。(与情形A相比较，两者是不同的)。在接到1个字节或者该计时器超时时，read即返回。如果是计时器超时，则read返回0。
情形D ：MIN = = 0，TIME = = 0。如果有数据可用，则read最多返回所要求的字节数。如果无数据可用，则read立即返回0。
在所有这些情形中，MIN只是最小值。如果程序要求的数据多于MIN个字节，那么它可能能接收到所要求的字节数。这也适用于MIN = = 0的情形A和B。

11.break方式和raw方式

对cbreak方式的定义是：

非规范方式。这种方式不对某些输入特殊字符进行处理。这种方式仍对信号进行处理，所以用户可以键入任一终端产生的信号。调用者应当捕捉这些信号，否则这种信号就可能终止程序，并且终端将仍处于cbreak方式。作为一般规则，在编写更改终端方式的程序时，应当捕捉大多数信号，以便在程序终止前恢复终端方式；
关闭回送(ECHO)标志；
每次输入一个字节。为此将MIN设置为1，将TIME设置为0。至少有一个字节可用时，read再返回。
对原始方式的定义是：

非规范方式。另外，还关闭了对信号产生字符(ISIG)和扩充输入字符的处理(IEXTEN)。关闭BRKINT，这样就使BREAK字符不再产生信号；
关闭回送(ECHO)标志；
关闭ICRNL、INPCK、ISTRIP和IXON标志。于是：不再将输入的CR字符变换为NL(ICRNL)、使输入奇偶校验不起作用(INPCK)、不再剥离输入字节的第8位(ISTRIP)、不进行输出流控制(IXON)；
8位字符(CS8)，不产生奇偶位，不进行奇偶性检测(PARENB)；
禁止所有输出处理(OPOST)；
每次输入一个字节(MIN = 1，TIME = 0)。

12.终端窗口

内核为每个终端和伪终端保存一个winsize结构：

struct winsize {
unsigned short ws_row; /* rows, in characters /
unsigned short ws_col; / columns, in character /
unsigned short ws_xpixel; / horizontal size, pixels /
unsigned short ws_ypixel; / vertical size, pixels */
};
此结构的作用是：

用ioctl的TIOCGWINSZ命令可以取此结构的当前值。
用ioctl的TIOCSWINSZ命令可以将此结构的新值存放到内核中。如果此新值与存放在内核中的当前值不同，则向前台进程组发送SIGWINCH信号。此信号的系统默认动作是忽略。
除了存放此结构的当前值以及在此值改变时产生一个信号以外，内核对该结构不进行任何其他操作。对结构中的值进行解释完全是应用程序的工作。
提供这种功能的目的是，当窗口大小发生变化时通知应用程序(例如vi编辑程序)。应用程序接到此信号后，它可以取得窗口大小的新值，然后重绘屏幕。