Общий терминальный интерфейс

Центральную роль в управлении терминалами играет структура termios, определенная во включаемом файле <termios.h>. Она должна содержать по крайней мере следующие поля.

tcflag_t c_iflag;     /* Режимы ввода */ 
tcflag_t c_oflag;     /* Режимы вывода */
tcflag_t c_cflag;     /* Управляющие режимы */
tcflag_t c_lflag;     /* Локальные режимы */
cc_t     c_cc [NCCS]; /* Специальные управ-
                         ляющие символы */

Типы tcflag_t, cc_t и фигурирующий далее speed_t должны определяться реализацией посредством typedef как беззнаковые целые.

Обращение к элементам массива c_cc, хранящего специальные управляющие символы, которые могут быть изменены, выполняется с помощью индексов с именами, полученными вставкой буквы V перед названием символа: VEOF, VEOL, VERASE, VINTR, VKILL, VQUIT, VSTART, VSTOP, VSUSP. Кроме того, еще два индекса, VMIN и VTIME, используются для работы со значениями MIN и TIME и могут совпадать с VEOF и VEOL, соответственно (поскольку символы EOF и EOL нужны только в каноническом режиме, а значения MIN и TIME - только в неканоническом).

Поле c_iflag структуры termios описывает основные параметры терминального ввода.

BRKINT

При разрыве соединения ( когда в течение времени, превышающего длительность передачи байта, поступают нулевые биты ) генерировать сигнал прерывания и сбрасывать очереди ввода / вывода.

ICRNL

Преобразовывать возврат каретки в перевод строки.

IGNBRK

Игнорировать разрыв соединения.

IGNCR

Игнорировать возврат каретки.

IGNPAR

Игнорировать символы с ошибками четности.

INLCR

Преобразовывать перевод строки в возврат каретки.

INPCK

Разрешить контроль четности.

ISTRIP

Отбрасывать старший бит, обрезая байты до семи бит.

IXOFF

Разрешить старт/стопное управление вводом.

IXON

Разрешить старт/стопное управление выводом.

PARMRK

Отмечать ошибки четности.

Поле c_oflag определяет системную обработку вывода. К числу обязательных для поддержки стандарт POSIX-2001 относит только один флаг - OPOST> (постпроцессировать вывод). В расширение XSI входят флаги, определяющие характер постпроцессирования: ONLCR (преобразовывать перевод строки в пару - перевод строки, возврат каретки ), OCRNL (преобразовывать возврат каретки в перевод строки ), NLDLY (выбрать задержку для перевода строки ) и т.п.

Поле управляющих режимов c_cflag описывает аппаратные характеристики линии и терминала: размер символа в битах ( CSIZE: от CS5 - 5 бит до CS8 - 8 бит), число стоп-бит ( CSTOPB: два стоп-бита), освобождение линии при закрытии последнего файлового дескриптора, ассоциированного с терминалом ( HUPCL ), контроль четности ( PARENB: контроль включен; PARODD: проверка на нечетность) и т.п.

Стандарт осторожен в части представления скорости передачи. Оговаривается только, что скорость хранится в структуре termios как значение типа speed_t, но не утверждается, что она представлена как часть поля c_cflag (хотя в исторически сложившихся реализациях это так). Допустимые значения скорости задаются именованными константами: от B0 - нулевой, означающей разрыв соединения, до B38400 - 38400 бит/сек.

Поле локальных режимов c_lflag структуры termios используется для управления различными характеристиками терминала. В их число входят:

ECHO

Включить эхоотображение.

ECHOE

Отображать символ забоя как тройку (возврат на шаг, пробел, возврат на шаг).

ECHOK

Отображать символ уничтожения строки (по крайней мере путем выдачи перевода строки ).

ECHONL

Включить эхоотображение перевода строки.

ICANON

Канонический режим ввода.

ISIG

Разрешить сигналы. Если установлен флаг ISIG, то каждый вводимый символ сравнивается со специальными управляющими символами INTR, QUIT и SUSP. В случае совпадения выполняется ассоциированная функция.

Служебные программы и функции для управления терминалами

Служебная программа

tty

позволяет узнать имя пользовательского терминала. Более точно, она выдает на стандартный вывод имя терминала, открытого в качестве стандартного ввода.

Если для примера перенаправить стандартный ввод (см. листинг 9.1), можно получить результат, показанный в листинге 9.2.

tty > /tmp/tty.res
tty < /tmp/tty.res > /tmp/tty.res

/dev/ttyS4
not a tty

Узнать, ассоциирован ли открытый файловый дескриптор с терминальным устройством, а также получить имя этого устройства можно с помощью функций isatty() и ttyname() (см. листинг 9.3).

#include <unistd.h>
int isatty (int fildes);
char *ttyname (int fildes);

Если с дескриптором ассоциирован терминал, функция isatty() возвращает единицу, а ttyname() - указатель на цепочку символов (располагающуюся, быть может, в перезаписываемой каждым вызовом статической области). В противном случае возвращаются, соответственно, нуль и пустой указатель.

Каждый терминал обладает рядом характеристик, которые можно опросить и/или изменить. Для этого служит утилита stty:

stty  [ -a | -g]
stty  характеристика ...

Будучи вызванной без опций и операндов, она выдает значения основных характеристик терминала, ассоциированного со стандартным вводом. Смысл опций таков:

-a

Выдать значение всех установленных характеристик.

-g

Выдать текущие установки в формате, который может быть использован в качестве аргумента другой команды stty.

В частности, выдача команды

stty -a

может выглядеть так, как показано в листинге 9.4. Здесь присутствуют как стандартные, так и специфичные для ОС Linux характеристики (минус перед именем характеристики означает, разумеется, что соответствующий флаг не установлен). Например, для опрашиваемого терминала задан канонический режим ввода и постпроцессирование вывода, но отсутствует контроль четности. Можно видеть также, какие символы назначены на роли специальных управляющих.

speed 19200 baud; rows 0; columns 0; line = 0;
intr = ^C; quit = ^\; erase = ^?; kill = ^U; eof = ^D; eol = <undef>;
eol2 = <undef>; start = ^Q; stop = ^S; susp = <undef>; rprnt = ^R; werase = ^W;
lnext = ^V; flush = ^O; min = 1; time = 0;
-parenb -parodd cs8 hupcl -cstopb cread clocal -crtscts
-ignbrk -brkint -ignpar -parmrk -inpck -istrip -inlcr -igncr -icrnl ixon ixoff
-iuclc -ixany -imaxbel
opost -olcuc -ocrnl -onlcr -onocr -onlret -ofill -ofdel nl0 cr0 tab0 bs0 vt0
ff0
isig icanon -iexten echo echoe echok -echonl -noflsh -xcase -tostop -echoprt
-echoctl echoke

Чтобы переустановить какую-либо характеристику, следует указать ее имя и, если нужно, новое значение. Например, после выполнения команды

stty kill '^k'

для отмены строки придется нажимать CTRL+K. Вслед за выполнением команды

stty -echo

на экране перестанут отображаться символы, вводимые пользователем, что, правда, не повлияет на выдачу результатов работы команд. Подобный режим применяется для обеспечения секретности, например, во время ввода пароля. Для восстановления эхоотображения советуем воспользоваться командой

stty echo

Сохранение и восстановление характеристик терминала можно реализовать так, как показано в листинге 9.5.

saved="$(stty -g)"
stty  новые_характеристики
 . . .
stty $saved

Некоторые, хотя и весьма ограниченные, возможности управления терминалами предоставляет служебная программа tput:

tput  [-T тип_терминала] действие

Стандарт POSIX-2001 предусматривает всего три действия: clear (очистка экрана), init (инициализация терминала ), reset (переустановка терминала ). Действие осуществляется путем посылки на терминал соответствующей управляющей последовательности. Стандарт не специфицирует, как эта последовательность определяется, каковы все результаты ее посылки и чем инициализация отличается от переустановки.

Служебная программа tput дает хорошие примеры немобильности. Во-первых, она входит в необязательную часть стандарта POSIX-2001. Во-вторых, в общем случае управляющие действия с терминалом могут реализовываться не только путем посылки на него некоторой последовательности символов, но и путем обращения к системным вызовам, поэтому присваивание

ClearScreen=`tput clear`

может и не достичь цели ( tput ничего не выдаст). В-третьих, стандартизованный перечень действий слишком ограничен, так что реально можно рекомендовать лишь включение строки вида

tput init

в разного рода инициализационные файлы. Тем не менее, показанный в листинге 9.6 фрагмент командного файла, выполняющегося при загрузке ОС Linux, демонстрирует поучительные способы борьбы с немобильностью.

if [ -x /usr/bin/tput ]; then
 if [ "x`tput kbs`" != "x" ]; then
   stty erase `tput kbs`
 elif [ -x /usr/bin/wc ]; then
   if [ "`tput kbs | wc -c `" -gt 0 ]; then
     stty erase `tput kbs`
   fi
 fi
fi

Здесь задается управляющая последовательность для выполнения функции забоя. Впрочем, несмотря на все проверки, немобильность все-таки осталась, поскольку действие kbs не входит в число стандартных.

На уровне функций опрос и изменение характеристик терминала разбиты на два семейства: tc*() (см. листинг 9.7) и cf*() (см. листинг 9.8), которые в стандарте POSIX введены в качестве замены исторически сложившейся, универсальной, но чрезмерно эклектичной, не вписывающейся ни в какие синтаксические рамки функции ioctl().

#include <termios.h>
int tcgetattr (int fildes, struct termios *termios_p);
int tcsetattr (int fildes, int optional_actions, const struct termios *termios_p);
int tcflow (int fildes, int action);
int tcflush (int fildes, int queue_selector);
int tcdrain (int fildes);
int tcsendbreak (int fildes, int duration);

#include <termios.h>
speed_t cfgetispeed (const struct termios *termios_p);
speed_t cfgetospeed (const struct termios *termios_p);
int cfsetispeed (struct termios *termios_p, speed_t speed);
int cfsetospeed (struct termios *termios_p, speed_t speed);

Пара функций tcgetattr() / tcsetattr() позволяет стандартным образом опросить/изменить характеристики терминала, ассоциированного с открытым файловым дескриптором fildes. Значения характеристик помещаются в структуру, на которую указывает аргумент termios_p. Нюансами изменения ведает аргумент optional_actions. Если его значение равно TCSANOW, изменение выполняется немедленно. Значение TCSADRAIN предписывает сначала дождаться передачи на терминальное устройство всех записанных по дескриптору fildes данных; это полезно, если изменения затрагивают режимы вывода. Значение TCSAFLUSH дополнительно означает предварительный сброс введенных устройством, но не прочитанных прикладными процессами символов.

Отметим, что вызов tcsetattr() завершается успешно (и возвращает нулевое значение), если удалось осуществить хотя бы одно из запрошенных изменений характеристик терминала. Это сделано по соображениям мобильности, поскольку разные реализации могут поддерживать разные подмножества характеристик. После tcsetattr() целесообразно снова вызвать tcgetattr() и узнать реальное состояние терминального устройства.

Приложение, изменяющее характеристики терминала, обязано позаботиться об их последующем восстановлении (например, при завершении процесса). Завершение должно выполняться аккуратно, с обработкой сигналов.

Функция tcflow() позволяет приостановить или возобновить терминальный ввод/вывод. Если значение аргумента action равно TCOOFF, приостанавливается вывод; по значению TCOON он возобновляется. Значение TCIOFF вызывает передачу на терминал символа STOP, значение TCION - символа START, что оказывает соответствующее воздействие на ввод.

С помощью функции tcflush() можно сбросить очередь ввода (значение TCIFLUSH аргумента queue_selector ), вывода ( TCOFLUSH ) или совместить их (значение TCIOFLUSH ).

Функция tcdrain() действует мягче. Она блокирует вызывающий процесс, пока все данные, записанные по дескриптору fildes, не будут переданы на терминальное устройство, дожидаясь тем самым физического окончания вывода.

Функция tcsendbreak() носит технический характер, позволяя организовать разрыв соединения путем посылки на терминал нулевых бит в течение заданного интервала времени. Если значение аргумента duration равно нулю, посылка продолжается от четверти до половины секунды.

Поскольку стандарт POSIX-2001 не специфицирует способ представления в структуре termios данных о скорости передачи, для выборки/записи данной характеристики из/в termios потребовалось ввести семейство функций cf*(), что, конечно, хорошо, ибо это проявление (возможно, невольное) объектно-ориентированного подхода. Кроме того, в общем случае терминальное устройство может поддерживать для ввода и вывода разные скорости, поэтому определено четыре функции, названия которых говорят сами за себя. Разумеется, для реального опроса/изменения скорости обмена с терминалом нужно воспользоваться функциями tcgetattr() / tcsetattr(). Отметим также, что скорость должна задаваться не в виде целого числа, а с помощью определенных в заголовочном файле <termios.h> констант B0, ..., B38400.

При работе с (псевдо)терминалами (а также с каналами и сокетами) полезна функция poll() (см. листинг 9.9), входящая в расширение XSI и позволяющая мультиплексировать ввод/вывод в пределах набора файловых дескрипторов.

#include <poll.h>
int poll (struct pollfd fds [], 
          nfds_t nfds, int timeout);

Для каждого элемента массива fds (с числом элементов nfds ) функция проверяет, наступили ли заданные события; в частности, возможны ли чтение или запись без блокирования процесса.

Согласно стандарту, структура pollfd содержит по крайней мере следующие поля.

int   fd;       
/* Опрашиваемый файловый дескриптор */
short events;   
/* Флаги опрашиваемых событий */
short revents;  
/* Флаги произошедших событий */

Среди событий, обрабатываемых функцией poll(), выделим POLLIN (информирует о том, что можно без блокирования прочитать данные, не являющиеся высокоприоритетными), POLLRDNORM (можно прочитать обычные данные), POLLOUT (без блокирования можно записать обычные данные), POLLERR (выходной флаг - зафиксирована ошибка устройства или потока).

Разделение данных на обычные, приоритетные и высокоприоритетные зависит от реализации.

Если запрашиваемые события не наступают, poll() ждет по крайней мере timeout миллисекунд. Значение -1 задает бесконечную задержку.

В качестве примера описанных функций приведем упрощенную версию программы, запускающей командный интерпретатор на псевдотерминале (см. листинг 9.10). Программа использует библиотеку curses для высокоуровневой работы с терминалами, которую мы не описываем, однако понять смысл фигурирующих в ней функций довольно просто. Отметим лишь, что функция endwin() восстанавливает характеристики терминала.

/* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */
/* Программа запускает shell на псевдотерминале  */
/* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <signal.h>
#include <poll.h>
#include <sys/resource.h>
#include <curses.h>

/* Действия при завершении процесса */
static void termination (int errcode) {
 endwin ();
 exit (errcode);
}

/* Функция обработки сигнала SIGCHLD */
static void chldied (int dummy) {
 /* Просто завершимся*/
 termination (34);
}

int main (void) {
 WINDOW *win1, *win2;
 /* win1 - окно только для рамки */
 /* win2 - окно для shell */

 int pty, tty;                 /* Дескрипторы обеих сторон псевдотерминала */
 int fr;                       /* Результат fork'а */
 unsigned char ch;             /* Прочитанный символ */
 struct termios pt;            /* Структура для смены характеристик псевдотерминала */
 struct pollfd fds [2];        /* Массив параметров для вызова poll */
 char ptybuf [L_ctermid];      /* Массив для хранения имени псевдотерминала */
 char *s, *t;                  /* Указатели для перебора компонентов имени псевдотерминала */
 int w2lines, w2cols;          /* Размер создаваемого окна */ 
 int x, y;                     /* Координаты в окне */
 struct sigaction sact;
 int i;

 initscr ();
 cbreak ();
 noecho ();

 win1 = newwin (LINES, COLS, 0, 0);
 box (win1, 0, 0);
 wrefresh (win1);

 w2lines = LINES - 2;
 w2cols = COLS - 4;
 win2 = newwin (w2lines, w2cols, 1, 2);
 scrollok (win2, TRUE);

 /* Откроем первый свободный псевдотерминал */
 for (s = "pqrs"; *s; s++) {
   for (t = "0123456789abcdef"; *t; t++) {
     sprintf (ptybuf, "/dev/pty%c%c", *s, *t);
     if ((pty = open (ptybuf, O_RDWR)) >= 0) {
	goto findpty;
     }
   }
 }

 fprintf (stderr, "Не удалось найти свободный псевдотерминал\n");
 termination (-1);

 findpty:
 ptybuf [5] = 't';
 if ((tty = open (ptybuf, O_RDWR)) < 0) {
   perror ("TTY OPEN ERROR");
   termination (-1);
 }

 /* Установим подходящие характеристики псевдотерминала */
 if (tcgetattr (pty, pt) < 0) {
   perror ("PTY TERMIOS GET ERROR");
   return (1);
 }
 pt.c_iflag = 0;
 pt.c_oflag = ONLCR;
 pt.c_cflag = CS8 | HUPCL;
 pt.c_lflag = ISIG | ICANON | ECHO | ECHOE | ECHOK;
 pt.c_cc [VINTR] = 3;  /* CTRL+C */
 pt.c_cc [VEOF] = 4;   /* CTRL+D */
 if (tcsetattr (pty, TCSADRAIN, pt) < 0) {
   perror ("PTY TERMIOS SET ERROR");
   return (2);
 }

 /* То же - для стандартного ввода */
 (void) tcgetattr (0, pt);
 pt.c_lflag = ~ISIG;
 (void) tcsetattr (0, TCSADRAIN, pt);

 /* Установим обработку сигнала о завершении потомка */
 sact.sa_handler = chldied;
 (void) sigemptyset (sact.sa_mask);
 sact.sa_flags = 0;
 (void) sigaction (SIGCHLD, sact, (struct sigaction *) NULL);

 /* Раздвоимся на процесс чтения с клавиатуры и вывода на экран */
 /* и на процесс, в рамках которого запустим shell */

 if ((fr = fork ()) < 0) {
   perror ("FORK1 ERROR");
   termination (-1);
 } else if (fr) {
   /* Это процесс, читающий с клавиатуры */
   /* и выводящий на экран               */
   close (tty);

   /* Будем ждать ввода с клавиатуры или псевдотерминала */
   fds [0].fd = 0;
   fds [0].events = POLLIN;
   fds [1].fd = pty;
   fds [1].events = POLLIN;

   while (1) {
     if (poll (fds, 2, -1) < 0) {
	perror ("POLL ERROR");
	termination (0);
     }
     if (fds [0].revents  POLLIN) {
	/* Пришел символ со стандартного ввода */
	read (0, ch, 1);
	write (pty, ch, 1);
     }
     if (fds [1].revents  POLLIN) {
	/* Пришел символ с псевдотерминала */
	read (pty, ch, 1);
	switch (ch) {
	  case '\n': {
	    /* Проинтерпретируем перевод строки */
	    getyx (win2, y, x);
	    if (y == (w2lines - 1)) {
	      wmove (win2, y, w2cols - 1);
	      waddch (win2, (chtype) ch);
	    } else {
	      wmove (win2, y + 1, 0);
	    }
	    break;
	  }
	  default: {
	    /* Символ не интерпретируется */
	    waddch (win2, (chtype) ch);
	    break;
	  }
	}
	wrefresh (win2);
     }
   }
   /* Просто завершимся */
   termination (0);

 } else {      /* Порожденный процесс - запустим в нем shell */
   /* Закроем все файлы, кроме псевдотерминала */
   for (i = 0; i < RLIMIT_NOFILE; i++) {
     if (i != tty) {
	(void) close (i);
     }
   }

   /* Сделаем процесс лидером сеанса */
   (void) setsid ();

   /* Свяжем стандартные ввод, вывод и протокол с псевдотерминалом */
   (void) fcntl (tty, F_DUPFD, 0);
   (void) fcntl (tty, F_DUPFD, 0);
   (void) fcntl (tty, F_DUPFD, 0);
   close (tty);

   /* Сделаем псевдотерминал управляющим */
   if ((tty = open (ptybuf, O_RDWR)) < 0) {
     perror ("TTY OPEN ERROR");
     exit (-1);
   }
   close (tty);

   /* Поместим в окружение параметры псевдотерминала */
   {
     char lnbuf [20];
     char clbuf [20];

     sprintf (lnbuf, "LINES=%2d", w2lines);
     sprintf (clbuf, "COLUMNS=%2d", w2cols);

     putenv (lnbuf);
     putenv (clbuf);
   }

   if (execl ("/bin/sh", "sh", (char *) NULL) < 0) {
     perror ("EXECL ERROR");
     exit (-1);
   }
 }

 return 0;
}

В соответствии с определением, выводимые на псевдотерминал символы являются входными для порожденного процесса. Они читаются по дескриптору pty, а затем интерпретируются и выводятся на физический терминал. Обратим также внимание на манипуляции с флагом ISIG: сигналы разрешены только для псевдотерминала (но не для стандартного ввода).

В целях полноты изложения укажем, что в (частично) описанное выше семейство tc*() входят еще три функции, предназначенные для работы с управляющими терминалами (см. листинг 9.11).

#include <unistd.h>
pid_t tcgetpgrp (int fildes);

#include <unistd.h>
int tcsetpgrp (int fildes, pid_t pgid_id);

#include <termios.h>
pid_t tcgetsid (int fildes);

Функция tcgetpgrp() позволяет узнать идентификатор группы процессов переднего плана, ассоциированной с терминалом, заданным открытым файловым дескриптором fildes. Для установки идентификатора группы служит функция tcsetpgrp(). Требуется, чтобы аргумент fildes соответствовал управляющему терминалу вызывающего процесса. Функция tcgetsid(), входящая в расширение XSI, по сути аналогична tcgetpgrp(). Она позволяет узнать идентификатор группы процессов лидера сеанса, для которого терминал, ассоциированный с файловым дескриптором fildes, является управляющим.

Для выполнения в известном смысле обратной операции - получения маршрутного имени управляющего терминала для вызывающего процесса - служит функция ctermid() (см. листинг 9.12).

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

Если значение аргумента s отлично от NULL, маршрутное имя управляющего терминала записывается по этому адресу; предполагается, что массив s имеет длину не менее L_ctermid байт. В противном случае имя помещается в область статической памяти, которая перезаписывается каждым вызовом.