Разработка приложений в среде Linux. Второе издание - Майкл Джонсон

• Если и VTIME, и VMIN равны нулю, read() всегда немедленно возвращается, даже если данные недоступны. И снова ноль необязательно указывает на состояние конца файла.

16.6. Псевдотерминалы

Псевдотерминалы, или pty — это механизм, позволяющий программе на уровне пользователя заменять место (логически говоря) драйвера tty для элемента оборудования. pty имеет два отдельных конца: конец, эмулирующий оборудование, называется ведущим устройством pty, а конец, обеспечивающий программы обычным интерфейсом tty, называется подчиненным компонентом pty. Подчиненный компонент выглядит как обычный tty; ведущее устройство выглядит как стандартное устройство символьного ввода-вывода и не является tty.

Драйвер последовательного порта обычно реализуется как часть кода ядра, управляемая прерываниями. Однако так бывает не всегда. Например, существует хотя бы один терминальный сервер, основанный на SCSI, который использует обобщенный интерфейс SCSI для организации программы на уровне пользователя, сообщающейся с терминальным сервером и предоставляющей доступ к последовательным портам через pty.

Сеансы работы с сетевыми терминалами происходят подобным образом; программы rlogind и telnetd подключают сетевой сокет к ведущему устройству pty и запускают оболочку в подчиненном компоненте pty, чтобы заставить сетевые подключения действовать как tty, позволяя запускать интерактивные программы в сетевом подключении, не имеющем ничего общего с tty. Экранная программа мультиплексирует несколько соединений pty на один tty, который может или не может быть pty, соединенным с пользователем. Ожидаемая программа позволяет программам, настаивающим на запуске в интерактивном режиме в tty, быть запущенными в подчиненном компоненте pty под управлением другой программы, соединенной с ведущим устройством pty.

16.6.1. Открытие псевдотерминалов

Существует широкое разнообразие способов открытия псевдотерминалов. Обычно это делается (по крайней мере, в Linux) способом, более или менее соответствующим стандартам, основанным на SysV, а также устаревшим способом, основанным на практике BSD. Наиболее распространенным методом среди системных программистов в Linux является набор расширений BSD, реализованных также как часть glibc. Менее распространенный метод документируется как часть стандарта 1998 года — Unix98, и документируется иначе в версии 2000 года стандарт Unix98.

Исторически существует два различных метода открытия псевдотерминалов в Unix и подобных системах. Linux изначально придерживался модели BSD, хотя она более сложная в использовании, поскольку модель SysV явно написана в рамках STREAMS, а в Linux STREAMS не реализована. Однако модель BSD требует, чтобы каждое приложение искало неиспользуемое ведущее устройство pty, зная о многих специфических именах устройств. Между 64 и 256 устройства pty обычно доступны, а с целью поиска первого открытого устройства программы проводят поиск в устройствах, начиная с наименьшего числа. Они выполняют поиск в специфической манере, которая демонстрируется в программе ptypair, включенной в данный раздел.

С моделью BSD связано несколько проблем.

• Каждое приложение должно знать весь набор доступных имен. При расширении набора возможных псевдотерминалов каждое приложение, использующее псевдотерминал, должно быть модифицировано с явным знанием всех возможных имен устройств, что вызывает неудобства и подвержено ошибкам.

• Время, уходящее на поиск, становится ощутимым при поиске среди тысяч узлов устройств в каталоге /dev. Системное время тратится, и доступ к системе замедляется, что очень плохо масштабируется в больших системах.

• Обработка полномочий может оказаться проблематичной. Например, если программа выполняет аварийное завершение, она может оставить файлы устройств псевдотерминалов с несоответствующими полномочиями.

Поскольку модель SysV явно написана в рамках STREAMS и требует использования вызовов ioctl() для запуска подчиненных компонентов, она не является вариантом выбора Linux. Однако интерфейс Unix98 не определяет функции, присущие STREAMS, поэтому в 1998 году в Linux была добавлена поддержка псевдотерминалов стиля Unix98.

Ядро Linux может быть скомпилировано без поддержки интерфейса Unix98, и можно встретить более старые системы без псевдотерминалов стиля Unix98, поэтому мы представим код, который пытается открыть псевдотерминалы стиля Unix98, но также может вернуться к интерфейсу BSD. (Мы не документируем части модели SysV, присущие STREAMS; в [35] подробно описан интерфейс STREAMS. Вам вряд ли понадобится код, специфичный для STREAMS; спецификация Unix98 не требует его.)

16.6.2. Простые способы открытия псевдотерминалов

В библиотеке libutil glibc предлагает две функции — openpty() и forkpty(), — выполняющие почти всю работу по поддержке псевдотерминалов.

#include <pty.h>

int openpty(int * masterfd, int * slavefd, char * name,

 struct termios * term, struct winsize * winp);

int forkpty(int * masterfd, char * name,

 struct termios * term, struct winsize * winp);

Функция openpty() открывает ведущие и подчиненные псевдотерминалы, необязательно используя структуры struct termios и struct winsize, передаваемые как опции настройки псевдотерминала, возвращая 0 в случае успеха и -1 в случае ошибки. Файловые дескрипторы ведущего устройства и подчиненного компонента возвращаются аргументам masterfd и slavefd соответственно. Аргументы term и winp могут быть NULL, в случае чего они игнорируются, и настройка не выполняется.

Функция forkpty() работает так же, как и openpty(), но вместо возврата файлового дескриптора подчиненного компонента она разветвляет псевдотерминал как управляющий терминал stdin, stdout и stderr для дочернего процесса, а затем, подобно fork(), возвращает идентификатор дочернего процесса родительскому и 0 дочернему либо -1 при возникновении ошибки.

Даже с этими удобными интерфейсами связана значительная проблема: аргумент name был изначально предназначен для возврата имени устройства псевдотерминала вызывающему коду, но его использование небезопасно, поскольку openpty() и forkpty() не знают размера буфера. Всегда передавайте NULL в аргументе name. Используйте функцию ttyname(), описанную в начале этой главы, чтобы получить путевое имя файла устройства псевдотерминала.

Предпочтительный способ работы с struct termios заключается в использовании цикла чтение-модификация-запись, но данному случаю это не соответствует по двум причинам. Можно передать NULL и принять значения по умолчанию, что достаточно в большинстве случаев; а когда вы хотите предоставить настройки termios, вы часто заимствуете настройки у другого tty, или знаете точно, какими они должны быть (например, в случае концентратора последовательного порта SCSI, описанного ранее в этой главе).

tcgetattr(STDIN_FILENO, &term);

ioctl(STDIN_FILENO, TIOCGWINSZ, &ws);

pid = forkpty(&masterfd, NULL, &term, &ws);

16.6.3. Сложные способы открытия псевдотерминалов

Интерфейс Unix98 для распределения пары псевдотерминала представляет собой следующий набор функций.

#define _XOPEN_SOURCE 600

#include <stdlib.h>

#include <fcntl.h>

int posix_openpt(int oflag);

int grantpt(int fildes);

int unlockpt(int fildes);

char * ptsname(int fildes);

Функция posix_openpt() — это то же, что и открытие устройства /dev/ptmx, но теоретически она более переносима (поскольку везде принимается). Рекомендуется в этот раз использовать open("/dev/ptmx", oflag) для максимальной практической переносимости. Если вы хотите установить один или два флага open() или posix_openpt(), используйте O_RDWR, как обычно; если вы вместо этого не открываете управляющий tty для процесса, используйте O_RDWR | O_NOCTTY. open() или posix_openpt() вернет открытый файловый дескриптор управляющему устройству псевдотерминала. Затем вызовите grantpt() с файловым дескриптором управляющего устройства псевдотерминала, возвращенным из posix_openpt(), для изменения режима и владельца подчиненного компонента псевдотерминала, а потом — unlockpt(), чтобы сделать подчиненный компонент псевдотерминала доступным для открытия. Интерфейс Unix98 для открытия подчиненного устройства псевдотерминала должен просто открыть имя, возвращенное ptsname(). Все эти функции возвращают -1 в случае ошибки, кроме ptsname(), возвращающей в такой ситуации NULL.

Функции в ptypair.c распределяют согласованную пару устройств pty. Пример функции get_master_pty() в строке 22 ptypair.с открывает управляющее устройство pty и возвращает файловый дескриптор родительскому процессу, а также предоставляет имя соответствующему подчиненному компоненту pty. Он сначала испытывает интерфейс Unix98 на распределение управляющего устройства pty, а если это не работает (например, если ядро скомпилировано без поддержки pty Unix98, возможно, для встроенных систем), возвращается к старому интерфейсу стиля BSD. Соответствующая функция get_slave_pty() в строке 87 может быть использована после fork() для открытия соответствующего подчиненного компонента pty.