用户进程、终端和内核之间的通信

Question

一个用户进程通过三个文件描述符与终端通信。在Unix中，终端被视为文件（例如/dev/tty），并且还具有文件描述符、主要号码和次要号码以供内核识别。因此，内核通过终端与用户进程通信。另一种通信方式是通过我们都知道的系统调用。

假设用户进程正在等待输入（例如：请输入两个数字：_ _）。当我们在键盘上按下1和2时，键盘缓冲区被填充，与键盘相关的设备驱动程序将识别它，并唤醒其等待队列中的进程。那么这些数据（即1和2）如何提供给用户进程呢？我猜是通过终端。

此外，如果重定向输出，例如$ ./a.out > file会发生什么？我使用了isatty()来检查该进程是否与任何终端相关联。那么内核如何与用户进程交互呢？假设我的程序需要从键盘获取一些输入。

- debendra nath tiwary

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终端本身在内核中被特殊处理。有进程组，组的前台进程获取控制台输入。您可以使用像screen这样的工具将多个程序置于前台。除了终端的性质外，我不明白您的问题有什么不同？这已经有很多重复的解答了。 - artless noise

Answer 1

当您的程序调用输入函数时，例如：

nread = read(FILENO_STDIN, buffer, sizeof(buffer));

当进行“系统调用”时，会进入内核。这个内核函数确保您传递给它的缓冲区在程序的地址空间中，并将字符（不超过您传递的大小）从终端设备的内核缓冲区复制到您提供的缓冲区中，并返回这些字符的数量。

如果文件描述符（arg1）指向一个打开的文件，类似的事情也会发生 - 数据来自文件系统的内核缓冲区（可能需要先从实际设备复制到那里）。

- John Hascall

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我在用户进程中没有使用任何读取函数。我想知道键盘缓冲区中的数据是如何通过终端传递到用户进程的。我在程序中使用了scanf。 我曾经看到过scanf在调用read函数。那么，read函数的参数是如何与scanf映射的呢？缓冲区地址可以是变量的地址（即&x），但是read函数中的大小参数怎么计算呢？ - debendra nath tiwary

如果内核直接将键盘缓冲区数据复制到用户空间，那么为什么数据会出现在终端上呢？例如：输入两个整数：__。当我输入时，它不应该出现在终端上，而是应直接复制到变量地址（即用户空间中）。我想知道数据如何显示在终端上并复制到用户空间变量地址。请不要忽略终端部分，我想了解机制。谢谢。 - debendra nath tiwary

@debendranathtiwary scanf() 在内部不调用 read() 函数。 - iqstatic

如果您在某个地方调用了 scanf()，则 read() 函数将被调用以将数据从内核的终端缓冲区传输到用户空间缓冲区。stdio 输入函数是带缓冲区的，因此当缓冲区为空时，典型的策略是发出一个读取请求，给出缓冲区的完整大小，然后未来的 "读取" 可以通过从缓冲区中复制一个或多个字符并调整可用字节数来满足。常量 BUFSIZ 给出了该缓冲区的名义大小。 - John Hascall

@JohnHascall 谢谢。好的，输入、输出和输出流只有一个缓冲区吗？据我所知，输出流没有与任何缓冲区相关联。如果我错了，请纠正我。另外，我该如何直接访问这些缓冲区呢？ - debendra nath tiwary

Answer 2

对于你的问题，高层次的回答是你所拥有的。

User process <> Kernel <> Terminal Driver

在某些系统中，终端驱动程序可能是内核的一部分。在其他系统中，它是在内核模式下执行的单独代码（微小的区别）。

当有人按下键时，它会触发系统中断，由驱动程序处理。在这里，根据内核告诉驱动程序如何行为或驱动程序的实现方式，可能会发生以下两种情况之一。

1）驱动程序可能只是将按键存储在缓冲区中；或 2）驱动程序每次获取按键时都会通知内核。

内核可以以多种方式与进程交互，具体取决于系统和进程如何配置终端：

1）内核可能不对来自终端的数据进行任何操作，直到进程调用它。进程提供一个缓冲区，内核从其内部缓冲区（或驱动程序的缓冲区）复制数据。 2）内核可能向进程发送软件中断（例如Windows或VMS）。在这种情况下，进程事先向内核提供了一个缓冲区，供其复制数据。 3）内核可能将事件排队到进程中，进程必须查询该事件。

关于您的部分问题，重定向完全在内核外管理。应用程序（通常是命令行shell）通常会解释此内容。

  ./a.out > file 

由

1) Open FILE.
2) Create a new process where the standard output is the handle to FILE.
3) Run a.out in that process.

- user3344003

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./a.out > file 与终端无关（因为isatty失败）， 但是 ./a.out < file 与终端相关（因为isatty成功） 这种不同的行为是怎么回事？ - debendra nath tiwary