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，當然也沒有任何輸出，這個程序就退出了。

為什么Ctrl-C會導致當前運行程序退出呢？

0x02 程序退出原因

上面的測試程序之所以會退出，是因為Ctrl-C會告訴linux內核，讓其發送SIGINT信號給當前運行程序，該信號的默認行為是殺掉目標進程，所以就有了上面的現象。

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行為，比如將SIGINT信號的默認行為，修改成輸出一些日志，而不是殺掉當前進程。

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導致程序退出，確實是因為該按鍵使內核發送了SIGINT信號到目標進程，進而導致目標進程被殺死。

那為什么Ctrl-C會觸發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，的運行機制。

0x03 Terminal Emulator的運行機制

我當前使用的terminal emulator為 alacritty，后面如果涉及到terminal emulator的源碼分析，就是基于這個項目。

當然，以下講的terminal emulator的運行機制，對于其他terminal emulator也同樣適用。

當我們在圖形化界面，打開一個terminal emulator時，terminal emulator會調用openpty函數，向linux內核申請一個pty數據通道，當該pty數據通道創建成功后，linux內核會返回兩個文件描述符，即兩個fd，給terminal emulator，這兩個fd，就代表了新創建pty數據通道的兩端，分別為master端和slave端。

當向master端的fd寫數據時，該數據就可以從slave端的fd讀出來，當向slave端的fd寫數據時，該數據就能從master端的fd讀出來。

當pty數據通道創建完畢后，terminal emulator就會調用fork函數，啟動一個子進程，該子進程用來運行shell程序，比如bash、zsh等，同時會將該shell的標準輸入，標準輸出，標準錯誤輸出，都設置為上面通過openpty函數獲取的slave端的fd。

shell在啟動成功后，會一直等待著從標準輸入，即slave fd，里接收要執行的命令。

當terminal emulator啟動成功后，我們就可以在其內部輸入命令了，我們輸入的命令，會被terminal emulator寫入到master fd里，這樣在shell子進程中，就可以通過標準輸入，即slave fd，接收到這個命令，并開始執行。

shell在執行接收到的命令時，也是通過fork函數，創建一個子進程，然后在子進程里執行該命令對應的程序。

不過，這里需要注意的是，子進程中運行的命令程序，其標準輸入，標準輸出、標準錯誤輸出都是繼承自shell，即它的標準輸入，標準輸出、標準錯誤輸出的值都是slave fd。

這樣，當命令程序寫日志到標準輸出時，其實際上是寫到了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，當我們此時在terminal emulator里輸入內容時，該內容會被terminal emulator寫入到master fd，進而就可以被命令程序進程，從標準輸入，即slave fd，里讀出來。

這里大家可能會有個疑問，即shell進程和當前運行的命令程序進程，他們的標準輸入都是slave fd，那為什么我們寫入到terminal emulator里的內容，是被命令程序進程讀出來，而不是被shell進程讀出來呢？

這個就涉及到terminal emulator使用權的概念了。

當shell進程剛啟動成功后，terminal emulator的使用權自然是shell的，此時我們在terminal emulator里輸入的內容，會被shell從標準輸入，即slave fd，里讀出來。

當shell啟動一個子進程，并用該進程運行命令程序時，它會把terminal emulator的使用權，轉交給該命令程序進程，此時我們在terminal emulator里輸入的內容，會被該命令程序進程從它的標準輸入，即slave fd，里讀出來的。

當該命令程序進程退出后，linux內核會通知shell進程，告知它啟動的子命令進程已經結束了，此時shell會把terminal emulator的使用權轉回給自己，進而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進程，即我們最開始啟動的terminal emulator，第二行為alacritty啟動的子進程，在該子進程中，運行的是bash程序，第三行為bash啟動的子進程，在該子進程中，運行的是我們文章最開始時使用的測試程序hello。

這三個進程的層級關系，和我們上面的描述是一致的。

我們再來看下alacritty啟動bash子進程的相關代碼：

上圖中make_pty函數內會調用openpty函數獲取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，在下面執行builder.spawn函數啟動shell子進程時，其標準輸入、標準輸入、標準錯誤輸出就都指向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的調用方，這樣，alacritty如果想要發送數據給shell時，就從Pty里獲取到master fd，然后將數據寫入到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中輸入的內容，會被terminal emulator寫到內核的pty數據通道中，進而這些數據會被轉發給shell進程，或者是在shell中運行的子進程。

那在terminal emulator里按Ctrl-C，也是這么處理的嗎？

首先，Ctrl-C確實是被當作一個字符來處理的，且terminal emulator在接收到這個字符后，會直接寫入到內核的pty數據通道，并不做特殊處理。

但是，在內核的pty數據通道里，有一個組件叫做 line discipline，它會檢查要被傳輸的字符，如果字符流中包含Ctrl-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，發送給目標進程。

如果目標進程沒有捕獲該信號，內核就會執行該信號的默認行為，即殺掉目標進程。

以下是生成SIGINT信號的內核代碼：

上圖中，光標所在行就是在判斷該字符是否是Ctrl-C，如果是，則發送SIGINT信號給目標進程。

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

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，經由內核pty數據通道，到達bash進程的stdin。

然后，bash從標準輸入中讀取到要執行的命令./hello，fork一個新的子進程，并在子進程中開始執行hello程序，此時bash也把terminal emulator的使用權交給了hello進程。

hello程序在開始運行后，就嘗試從標準輸入中讀取數據。

接著，我們在terminal emulator中再輸入hello world，該數據會沿著terminal emulator中的第二個輸出箭頭，即第一條實線，經由pty數據通道，到達hello進程的stdin。

hello進程從標準輸入中讀到hello world字符串，然后直接將其寫入到了標準輸出，該數據又經由內核pty數據通道，到達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進程在寫完hello world字符串后，自己主動退出，bash檢測到hello進程退出后，又把terminal emulator的使用權轉回給自己。

bash寫命令提示符>到標準輸出，該數據再經由pty數據通道到達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中執行hello程序的完整流程。

從上圖中我們還可以看到，假設我們在terminal emulator中按Ctrl-C，該數據在到達內核pty數據通道時，line discipline組件會將其轉換成SIGINT信號，并發給目標進程。

這個也解答了我們此篇文章的疑問，現在你應該豁然開朗了吧。

另外，內核中 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SIGINT信號，甚至是直接關閉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