17.1. Термінальне введення-виведення

У цьому розділі зупинимося на базовій технології для організації взаємодії із користувачем в операційних системах — термінальному введенні-виведенні. Хоч історія цієї технології нараховує кілька десятиліть, проте вона продовжує зали­шатися важливою складовою сучасних ОС.

17.1.1. Організація термінального введення-виведення

Спочатку розглянемо принципи організації термінального введення-виведення, що не залежать від конкретної ОС [44].

Поняття термінала

Історично термінали (terminals) використовували для організації багатокористу-вацької роботи із мейнфреймами або мінікомп'ютерами. Це були апаратні при­строї, що складалися із клавіатури і дисплея, які підключали до комп'ютера через інтерфейс послідовного порту. Особливе поширення такі термінали здобули у 70-80-ті роки: усі розроблені в той час операційні системи включали засоби їхньої підтримки, було створено багато прикладного програмного забезпечення, розрахованого на роботу із ними.

Такі термінали працюють у текстовому режимі, за якого обмін даними і їхнє відображення на програмному рівні відбуваються посимвольно. Для відображен­ня використовують екран розміром у символах (звичайно 25 на 80), причому ві­дображатися можуть тільки стандартні символи із кодами ASCII. За подання на екрані розширеного набору символів із кодами 127-255, зокрема символів кири­лиці, відповідає символьна таблиця, яка використовується терміналом.

Є спеціальні символи (керуючі коди) і послідовності символів, які не відобра­жаються, а керують виведенням на екран термінала. До керуючих кодів належать такі символи, як повернення каретки, переведення рядка, Backspace тощо. Керую­чі послідовності називають також £5С-послідовностями (вони починаються із символу із ASCII-кодом 27 — ESC). Передаючи такі послідовності термінала, можна переміщати курсор у довільну позицію екрана, керувати яскравістю відоб­раження символів, для деяких моделей терміналів - кольорами тощо.

Емуляція термінала

У сучасних умовах апаратні термінали застосовують рідко. Проте інтерфейс зв'яз­ку з терміналами (термінальне введення-виведення) не втратив свого значення й досі. Це пояснюється тим, що текстовий режим роботи дуже зручний для роз­в'язання багатьох задач (організації адміністрування системи, віддаленого досту­пу до неї тощо), а також широким вибором програмного забезпечення, яке вико­ристовує цей режим.

Для спрощення організації термінального введення-виведення у сучасних ОС широко використовують емуляцію термінала. Програмне забезпечення (емуля­тор) приймає дані згідно із домовленостями щодо обміну із відповідним терміна­лом і відображає на дисплеї комп'ютера інформацію згідно керуючих послідовно­стей, визначених для термінала (для цього може бути виділене окреме вікно на графічному екрані). У результаті програмне забезпечення, розраховане на роботу із терміналом, можна використовувати із таким емулятором без змін. Одночасно у системі може бути запущено кілька емуляторів термінала (наприклад, кожен у своєму вікні), і користувач має змогу перемикатися між ними, чергово вико­нуючи введення-виведення. Найпоширеніша емуляція термінала vtlOO, програм­не забезпечення, розраховане на використання цього термінала, із великою ймо­вірністю працюватиме із будь-яким емулятором.

Надалі говоритимемо про введення із термінала і виведення на термінал, не уточнюючи, що обмін даними майже завжди відбуватиметься не з апаратним тер­міналом, а з його емулятором.

Віддалені термінали і консоль

Емулятор термінала може бути запущений на віддаленому комп'ютері, при цьому необхідно забезпечити обмін даними мережею між ним і програмним забезпечен­ням. Прикладом розв'язання такої задачі є протокол telnet, який працює поверх TCP/IP. Відповідний сервер (telnet-сервер) запускають на машині, яка надає від­далений доступ. Він перехоплює дані, що їх застосування передають на термінал, і пересилає їх на віддалену систему. Там працює емулятор термінала (telnet-клі­єнт), який інтерпретує отримані дані й, у свою чергу, відсилає серверу інформа­цію, введену на віддаленій машині. Сервер доставляє її застосуванням.

З іншого боку, якщо дисплей комп'ютера, на якому запущена ОС, працює у текстовому режимі, за відображення інформації на ньому теж може відповідати емулятор термінала. У багатокористувацьких ОС із мережним доступом (наприк­лад, в UNIX) такий термінал часто називають консоллю, на відміну від терміналів, які використовують для доступу до системи через мережу.

Термінальне введення

Є два підходи до організації термінального введення.

♦ У режимі без обробки, або неканонічному режимі (non-canonical mode), дані передають програмі без зміни (включаючи керуючі коди, такі, як переведення каретки або Backspace). За інтерпретацію цих кодів відповідає програма. Та­кий режим складніший у використанні (потрібно інтерпретувати керуючі ко­ди), але більш гнучкий. Найчастіше його використовують текстові редактори.

▼ У разі використання режиму з обробкою, або канонічного режиму (canonical mode), дані додатково оброблятимуться перед тим як надійти у програму. Така обробка відбувається після натискання користувачем клавіші Enter (введення символу переведення рядка), при цьому керуючі коди буде інтерпретовано і відповідно до них змінено весь уведений рядок (наприклад, якщо в ньому тричі поспіль трапиться Backspace, ці три символи і ще три, введені перед ними, із рядка будуть вилучені). Такий режим простіший для програміста, у програ­му в даному разі потрапляє вже підготовлений символьний рядок. Прикладом програмного забезпечення, що реалізує компроміс між цими ре­жимами, може бути розповсюджена в UNIX-системах бібліотека readline. Вона надає розширені засоби редагування введеного рядка, які потребують підтримки неканонічного режиму, але її програмний інтерфейс аналогічний до введення в канонічному режимі (у програму потрапляє підготовлений внаслідок редагу­вання рядок).

Введені із клавіатури символи зберігаються у буфері, навіть у неканонічному режимі (трапляються ситуації, коли застосування не може відразу прийняти дані від клавіатури, і потрібно зберегти їх до того моменту, коли з'явиться така мож­ливість). У канонічному режимі дані із буфера передаються програмі після вве­дення символу переведення рядка, у неканонічному — як тільки програма буде готова їх прийняти. Звичайно для кожного термінала створюється свій окремий буфер введення. У разі заповнення буфера може бути виділена додаткова пам'ять.

У більшості випадків уведені символи відразу відображаються на екрані (ро­бота в режимі луни). Можливе відключення цього режиму, наприклад під час вве­дення паролів або команд текстових редакторів.

Термінальне виведення

Для виведення на термінал теж використовують буферизацію. Буфер виводу за­повнюють у тому випадку, коли термінал не готовий прийняти символ; у міру його готовності символи із буфера передають терміналу. Відображаючи дані, він інтер­претує керуючі послідовності, після чого показує інформацію, виділяє кольорами окремі ділянки, переміщає курсор тощо.

Головна проблема полягає в тому, що різні модифікації терміналів сприйма­ють різні набори послідовностей. Для її вирішення у сучасних ОС звичайно ство­рюють базу даних терміналів, що містить список терміналів і послідовності, які відповідають кожному із них. В UNIX-системах таку базу називають ternrinfo.

Логічна структура термінального введення-виведення показана на рис. 17.

Термінальне введення-виведення в UNIX та Linux

Тут розглянемо особливості реалізації та використання термінального введен­ня-виведення в UNIX-системах на прикладі Linux.

Файли термінальних пристроїв і консоль

Кожному терміналу в Linux (як і в інших UNIX-системах) відповідає файл сим­вольного пристрою. Наприклад, файли /dev/ttyn (п = 1, 2.....63) відповідають тер­міналам віртуальної консолі (доступний набір таких терміналів, що дає можливість відкривати кілька паралельних сесій користувача; для перемикання між віртуаль­ними консолями використовують комбінації клавіш Ctrl+Fn), файли /dev/ttySn -терміналам, пов'язаним із з'єднаннями через послідовний порт. Відкривши такий файл, можна працювати із відповідним терміналом.

tty2 = open("/dev/tty2". 0RDWR. 0644);

write(tty2, "Виведення на другу віртуальну консоль\n". ...);

Консоль Linux емулює спеціальний вид термінала, який називають Linux. Він надає доволі широкі можливості щодо керування відображенням інформації (підтримку кольору, керуючих клавіш, перевизначення символьної таблиці «на ходу»). Поточну консоль відображають файлом /dev/console.

Псевдотермінали

Раніше вже йшлося про принцип роботи протоколу telnet. Виникає запитання: яким чином telnet-сервер перехоплює дані, що їх застосування відсилають на тер­мінал? Для відповіді потрібно ознайомитися із концепцією псевдотперміналів.

Псевдотерміналом (pty) називають спеціальний пристрій, який створює і контролює процес режиму користувача (ведучий процес, pty master). Для всіх інших процесів (ведених процесів, pty slaves) цей пристрій має вигляд реального термінала. У результаті всі дані, якими ведені процеси обмінюються із псевдотер­міналом, опиняються під повним контролем ведучого процесу. Зокрема, ведучим процесом у разі telnet є telnet-сервер, веденим - процес, який запускають у tel­net-сесії. У результаті сервер має змогу перехоплювати всі дані, які будуть згене-ровані під час сесії, та відсилати їх мережею.

Псевдотермінал відображають двома спеціальними файлами пристроїв: фай­лом ведучого (pty master file) і файлом веденого (pty slave file). Із файлом ведучого працює ведучий процес, усі інші процеси працюють із файлом веденого. Усі дані, записані у файл веденого, можуть бути зчитані із файла ведучого і навпаки. У Linux є різні домовленості на імена для цих файлів, наприклад, файли ведучого можуть бути згенеровані за запитом у каталозі /dev/pts.

Є кілька цікавих застосувань псевдотерміналів. Так, є утиліта screen, що пере­хоплює весь ввід-вивід інтерактивної програми або сесії користувача і зберігає його у файлі. Для цього screen створює псевдотермінал і змушує програму обмі­нюватися даними не із консоллю, а із цим терміналом.

Керуючий термінал процесу

Процес в UNIX-системі може мати керуючий термінал (controlling terminal), з яко­го отримуватиме сигнали від клавіатури (SIGINT у разі натискання користувачем Ctrl+C, SIGQUIT - Ctri-D). Звичайно це термінал, із якого ввійшов у систему кори­стувач, що створив такий процес. Для процесу доступний файл /dev/tty, що відпові­дає цьому терміналу. Далі в розділі ознайомимося із деякими додатковими особли­востями взаємодії між процесами і керуючими терміналами.

Наперед визначені файлові дескриптори

Відкривати щоразу файл керуючого термінала під час введення-виведення не ду­же зручно. Розглянемо засоби, які надають ОС для спрощення роботи із таким терміналом.

Під час створення нового процесу у його таблиці файлових дескрипторів fd заздалегідь створюють три елементи, котрі використовують як наперед визначені файлові дескриптори. Вони відповідають трьом заздалегідь відкритим файлам, доступним для кожного процесу і за замовчуванням пов'язаних із керуючим тер­міналом користувача, що створив цей процес:

♦ stdin - файл стандартного вводу (йому відповідає дескриптор fd[0]);

♦ stdout - файл стандартного виводу (йому відповідає fd[l]);

♦ stderr - файл повідомлень про помилки (йому відповідає fd[2]).

Виклик writed. ...) або write(2. ...) означає виведення на відповідний тер­мінал, read(0. ...) - введення із клавіатури, пов'язаної із цим терміналом. Таку концепцію сьогодні використовують і в інших ОС, які підтримують термінальне введення-виведення. Для можливості перенесення, замість чисел 0, 1 і 2, реко­мендують вживати константи STDINFILENO, STD0UTJILEN0 і STDERRFILENO:

int bytes_read; char buf[1024]:

// зчитати дані з файла стандартного вводу

bytes_read = read(STDIN_FILENO. buf. sizeof(buf));

// вивести їх же у файл стандартного виводу

wrіte(STDOUT_FILENO. buf. Bytes_read):

Є багато прикладних і системних програм, які розраховані на отримання да­них з файла стандартного вводу і відображення результатів у файл стандартного виводу. Такі програми називають фільтрами. Серед найвідоміших фільтрів мож­на виділити sort (сортування файла стандартного вводу, записування результату на стандартний вивід) і дгер (пошук заданого підрядка у стандартному вводі, за­писування рядків, де знайдено цей підрядок, на стандартний вивід).

Програмне керування терміналом

Стандарт POSIX визначає набір системних викликів для керування режимами роботи із терміналом. Для задания атрибутів режиму термінального введення-ви­ведення використовують системний виклик tcsetattrO, а для отримання поточ­них атрибутів режиму - tcgetattrO. Обидва ці виклики приймають параметром покажчик на структуру termi os, яка містить зокрема поле с_1 f 1 ag — маску прапор­ців режимів, що керують поведінкою термінала (прапорець ECHO означає роботу в режимі луни):

int tcgetattr(int tfd. struct termios *modes);

int tcsetattr(int tfd. int actions, struct termios *modes):

де: tfd — дескриптор файла, що відповідає терміналу;

actions — час встановлення режиму (TCSAN0W - негайно).

Наведемо приклади використання цих викликів для відключення режиму лу­ни і відновлення попереднього режиму.

#include <termios.h>

#include <sys/types

struct termios new_mode, old_mode:

// одержання поточного режиму

tcgetattr(STDIN_FILENO.&oldjrode);

new_mode = oldjnode: // відключення режиму луни

new_mode.сJflag &= (-ECHO);

tcsetattr (STDI N_F IL ENO, TCSANOW. Snewmode):

// ... введення-виведення з використанням STDIN_FILENO без луни

// відновлення попереднього режиму

tcsetattr(STDIN_FIL ENO.TCSANOW.Sold jnode):