當你開啟終端並輸入命令時會發生什麼?（上）
哈嘍大家好，我是鹹魚
參加過校招面試的小夥伴們肯定對下面這道面試題很熟悉：「當你在瀏覽器輸入一段網址後會發生什麼？」。這道面試題可以說是很經典了，因為其涉及大量網路協定，可以非常直觀的看出小夥伴們對計算機網路體系的整體把握程度
但如果問題換成：「當你開啟終端並輸入 ls 時會發生什麼？」，有多少小夥伴能夠回答出來呢？
終端的前世今生
大多數現代終端應用程式的工作方式都來自於其歷史前輩——電傳打字機（teletypes，簡稱 tty）
在大型計算機的時代，當時資料儲存在磁帶上，計算機的記憶體以 kB 為單位，電傳打字機就是為了它們而被設計出來
如上圖，左邊的是 IBM 2741電傳打字機，右邊是 IBM System/360 Mo. 40大型計算機
電傳打字機是允許使用者與計算機互動的基本文字使用者端。teletypes 其實是 teletypewriter的縮寫，因為它是從打字機（typewriters）演變過來的
如上圖所示，電傳打字機和大型計算機通過連線兩端的物理線來進行通訊。溝通過程如下：
- 當用戶從電傳打字機輸入時，ASCII 文字將一個字元一個字元地通過網路傳輸
- 計算機的核心接收字元並對其進行解碼
- 接著字元被送到一個名為 TTY driver 的驅動程式，這裡負責將輸入傳送到使用者程式並收集輸出
- 最後，核心將輸出傳送回電傳打字機 ，以便顯示給使用者
需要提到的一點是 line discipline（行規則），它會將字元緩衝到核心記憶體中，直到按下 Enter」 鍵，程式才會接收到輸入
line discipline 允許這塊緩衝區是可編輯的，並提供了一些與程式無關的快捷鍵（例如 ctrl-w）
這在當時是一項重要的效能優化，因為讓程式設計師一個字元一個字元的處理是非常低效的
隨著計算技術的進步，這些獨立元件中的許多都實現了現代化。比如說電傳打字機被終端所取代，終端是完全電子的機器，包括電子顯示器
上圖是 DEC 於 1978 年釋出的 VT100 終端機（VT = video terminal），它實現並推廣了至今仍在使用的 ANSI 跳脫碼
隨著電子終端的誕生，出現了越來越多的功能（例如顏色、鈴聲）。但本質上跟電傳打字機完全相同——傳送輸入字元流並顯示輸出
現如今人人都有一臺自己的電腦，這些電腦的作業系統可以監督許多應用程式，終端不再是專門的硬體，而是變成了這些應用程式中的一個
與典型的 GUI 應用程式一樣，終端是作業系統監督下的一個程序，它監聽來自使用者的事件和輸入，並告訴作業系統在視窗中顯示什麼（終端不直接與外設互動，而是通過驅動程式和視窗管理器）
有時候我們還會聽到 」終端模擬器「 這個詞，而不是簡單的稱之為 」終端「。這是因為 」終端「 指的是專門的硬體（終端機），而現在大多數的終端只是對該裝置的模擬，是一個應用程式
但是我們這裡不做區分，」終端模擬器「 和 」終端「 含義一樣
那麼當我們開啟終端時會發生什麼呢？
開啟終端
上面我們提到過，終端是一個應用程式，能夠讓你 」使用你的電腦「（即在上面執行程式）。我們的電腦上可能已經存在了 ls、rm、mv 等程式
但是我們不滿足於使用這些簡單的命令，我們還希望使用指令碼來實現自動化， 這些指令碼將許多命令的序列組合在一起，使用分支條件邏輯，執行重複迴圈或並行化命令等
為了讓計算機能夠讀懂我們的指令碼並執行起來，我們需要一個完整的可互動的解釋型的程式設計環境——shell
將其他程式作為程序執行，讓作業系統核心讀懂你寫的指令碼，這些工作都由 shell 完成。目前常見的 shell 有 Bash、Zsh 等
終端和 shell 是兩個獨立的程式：
- shell 負責解釋你輸入的命令
- 終端負責 UI 相關的東西，比如字型、顏色等
當我們開啟終端時，終端會根據使用者生成一個 shell 程序，以及使用者與 shell 之間，使用者與 shell 啟動的程序之間通訊的方法
這個 shell 程序負責解釋和執行使用者輸入的命令，並與使用者進行互動。使用者在終端輸入的命令將通過這個通訊通道傳遞給 shell 程序進行解釋執行，並將執行結果反饋給使用者顯示在終端上
建立 PTY
偽終端裝置（PTY）是在計算機作業系統中建立的一個虛擬裝置，用於模擬物理終端的功能
在 UNIX、Linux 和類 UNIX 系統中，PTY 用於在使用者和程式之間建立一個通訊通道，允許使用者通過終端對談與程式進行互動
PTY通常由兩個主要部分組成：主裝置（leader）和從裝置（follower）。leader端連線到使用者終端，follower端連線到一個或多個程式
當用戶開啟終端並啟動一個 shell 時，終端模擬器會建立一個 PTY，並將 leader 端連線到使用者介面，同時將 follower 端連線到 shell 或其他命令列程式。使用者輸入的命令通過 leader 端傳輸到 follower端，follower端執行這些命令並將輸出傳送回 leader 端，最終顯示在使用者介面上
在 Unix 中，一切皆檔案，這句話指的是 Unix 中的所有東西都有與檔案相同的讀/寫介面。leader 的 fd（檔案描述符） 指向記憶體中的一個緩衝區，而 follower 是一個在磁碟上具有實際路徑的字元裝置檔案。
上圖可以看到，我們開啟了兩個終端（/dev/pts/0、/dev/pts/1），啟動了兩個 shell 程序。如果我們在終端1（/dev/pts/1）中敲命令並重定向到終端0（/dev/pts/0），可以看到輸出結果是在終端0中顯示的
生成 shell
終端對談在啟動時可能會為shell建立一個子程序，這個子程序將作為 shell 的範例來執行使用者的命令
UNIX 和類 UNIX 系統中，終端對談會使用偽終端裝置（PTY）來與 shell 程序進行通訊，通過這種方式，終端對談可以讀取和寫入 shell 的輸入、輸出和錯誤輸出（fd 0到2）
shell 初始化
在Linux中，使用者開啟終端啟動 shell 程序時會進行 shell 初始化，這個過程涉及一些組態檔和指令碼的執行，用來設定使用者的環境和啟動 shell 的行為
步驟大致如下：
- 讀取組態檔：在使用者登入時，shell 會讀取一系列的組態檔來設定使用者的環境變數、別名、函數等。這些組態檔可以包括全域性組態檔（例如
/etc/profile）和使用者特定的組態檔（例如~/.bash_profile、~/.bashrc等） - 執行設定命令：組態檔中可以包含各種設定和命令，例如設定環境變數、修改提示符、定義別名和函數等。這些命令會在 shell 啟動時執行，以確保在使用者登入後設定了所需的環境和行為
- 啟動shell：一旦執行了組態檔中的命令，shell 就會準備就緒，等待使用者的輸入。這時，shell 的提示符會出現，等待使用者輸入命令。