當你打開終端并輸入命令時會發生什么?
哈嘍大家好，我是咸魚
參加過校招面試的小伙伴們肯定對下面這道面試題很熟悉：“當你在瀏覽器輸入一段網址后會發生什么？”。這道面試題可以說是很經典了，因為其涉及大量網絡協議，可以非常直觀的看出小伙伴們對計算機網絡體系的整體把握程度
但如果問題換成：“當你打開終端并輸入 ls 時會發生什么？”，有多少小伙伴能夠回答出來呢？
終端的前世今生
大多數現代終端應用程序的工作方式都來自于其歷史前輩——電傳打字機（teletypes，簡稱 tty）
在大型計算機的時代，當時數據存儲在磁帶上，計算機的內存以 kB 為單位，電傳打字機就是為了它們而被設計出來
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左邊的是 IBM 2741電傳打字機，右邊是 IBM System/360 Mo. 40大型計算機
電傳打字機是允許用戶與計算機交互的基本文本客戶端。teletypes 其實是 teletypewriter的縮寫，因為它是從打字機（typewriters）演變過來的
如上圖所示，電傳打字機和大型計算機通過連接兩端的物理線來進行通信。溝通過程如下：
- 當用戶從電傳打字機輸入時，ASCII 文本將一個字符一個字符地通過網絡傳輸
- 計算機的內核接收字符并對其進行解碼
- 接著字符被送到一個名為 TTY driver 的驅動程序，這里負責將輸入發送到用戶程序并收集輸出
- 最后，內核將輸出發送回電傳打字機 ，以便顯示給用戶
需要提到的一點是 line discipline（行規則），它會將字符緩沖到內核內存中，直到按下 Enter 鍵，程序才會接收到輸入
line discipline 允許這塊緩沖區是可編輯的，并提供了一些與程序無關的快捷鍵（例如 ctrl-w）
這在當時是一項重要的性能優化，因為讓程序員一個字符一個字符的處理是非常低效的
隨著計算技術的進步，這些獨立組件中的許多都實現了現代化。比如說電傳打字機被終端所取代，終端是完全電子的機器，包括電子顯示器
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DEC 于 1978 年發布的 VT100 終端機（VT = video terminal），它實現并推廣了至今仍在使用的 ANSI 轉義碼
隨著電子終端的誕生，出現了越來越多的功能（例如顏色、鈴聲）。但本質上跟電傳打字機完全相同——發送輸入字符流并顯示輸出
現如今人人都有一臺自己的電腦，這些電腦的操作系統可以監督許多應用程序，終端不再是專門的硬件，而是變成了這些應用程序中的一個
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與典型的 GUI 應用程序一樣，終端是操作系統監督下的一個進程，它監聽來自用戶的事件和輸入，并告訴操作系統在窗口中顯示什么（終端不直接與外設交互，而是通過驅動程序和窗口管理器）
有時候我們還會聽到 ”終端模擬器“ 這個詞，而不是簡單的稱之為 ”終端“。這是因為 ”終端“ 指的是專門的硬件（終端機），而現在大多數的終端只是對該設備的模擬，是一個應用程序
但是我們這里不做區分，下文提到的“終端”等同于“終端模擬器”
那么當我們打開終端時會發生什么呢？
打開終端
上面我們提到過，終端是一個應用程序，能夠讓你 ”使用你的電腦“（即在上面運行程序）。我們的電腦上可能已經存在了 ls、rm、mv 等程序
但是我們不滿足于使用這些簡單的命令，我們還希望使用腳本來實現自動化， 這些腳本將許多命令的序列組合在一起，使用分支條件邏輯，運行重復循環或并行化命令等
為了讓計算機能夠讀懂我們的腳本并執行起來，我們需要一個完整的可交互的解釋型的編程環境——shell
將其他程序作為進程運行，讓操作系統內核讀懂你寫的腳本，這些工作都由 shell 完成。目前常見的 shell 有 Bash、Zsh 等
終端和 shell 是兩個獨立的程序：
- shell 負責解釋你輸入的命令
- 終端負責 UI 相關的東西，比如字體、顏色等
簡單來講，當我們打開終端時，終端會根據用戶生成一個 shell 進程，以及用戶與 shell 之間，用戶與 shell 啟動的進程之間通信的方法
這個 shell 進程負責解釋和執行用戶輸入的命令，并與用戶進行交互。用戶在終端輸入的命令將通過這個通信通道傳遞給 shell 進程進行解釋執行，并將執行結果反饋給用戶顯示在終端上
創建 PTY
偽終端設備（PTY）是在計算機操作系統中創建的一個虛擬設備，用于模擬物理終端的功能
在 UNIX、Linux 和類 UNIX 系統中，PTY 用于在用戶和程序之間建立一個通信通道，允許用戶通過終端會話與程序進行交互
PTY通常由兩個主要部分組成：主設備（leader）和從設備（follower）。leader 端連接到用戶終端，follower 端連接到一個或多個程序
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當用戶打開終端并啟動一個 shell 時，終端模擬器會創建一個 PTY，并將 leader 端連接到用戶界面，同時將 follower 端連接到 shell 或其他命令行程序
用戶輸入的命令通過 leader 端傳輸到 follower 端，follower 端執行這些命令并將輸出發送回 leader 端，最終顯示在用戶界面上
在 Unix 中，一切皆文件，這句話指的是 Unix 中的所有東西都有與文件相同的讀/寫接口。
leader 的 fd（文件描述符） 指向內存中的一個緩沖區，而 follower 是一個在磁盤上具有實際路徑的字符設備文件
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上圖可以看到，我們打開了兩個終端（/dev/pts/0、/dev/pts/1），啟動了兩個 shell 進程。如果我們在終端 1（/dev/pts/1）中敲命令并重定向到終端0（/dev/pts/0），可以看到輸出結果是在終端 0 中顯示的
生成 shell
終端會話在啟動時可能會為 shell 創建一個子進程，這個子進程將作為 shell 的實例來執行用戶的命令
UNIX 和類 UNIX 系統中，終端會話會使用偽終端設備（PTY）來與 shell 進程進行通信，通過這種方式，終端會話可以讀取和寫入 shell 的輸入、輸出和錯誤輸出（fd 0到2）
這樣使得用戶在終端輸入的命令可以被 Shell 進程解釋執行，并且 Shell 進程的輸出可以在終端顯示
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shell 初始化
在 Linux 中，用戶打開終端啟動 shell 進程時會進行 shell 初始化，這個過程涉及一些配置文件和腳本的執行，用來設置用戶的環境和啟動 shell 的行為
步驟大致如下：
- 讀取配置文件：在用戶登錄時，shell 會讀取一系列的配置文件來設置用戶的環境變量、別名、函數等。這些配置文件可以包括全局配置文件（例如/etc/profile）和用戶特定的配置文件（例如~/.bash_profile、~/.bashrc等）
- 執行配置命令：配置文件中可以包含各種設置和命令，例如設置環境變量、修改提示符、定義別名和函數等。這些命令會在 shell 啟動時執行，以確保在用戶登錄后設置了所需的環境和行為
- 啟動shell：一旦執行了配置文件中的命令，shell 就會準備就緒，等待用戶的輸入。這時，shell 的提示符會出現，等待用戶輸入命令
