[apue] 书中关于伪终端的一个纰漏

在看 apue 第 19 章伪终端第 6 节使用 pty 程序时，发现“检查长时间运行程序的输出”这一部分内容的实际运行结果，与书上所说有出入。

于是展开一番研究，最终发现是书上讲的有问题，现在摘出来让大家评评理。

 

先上代码

pty.c

pty_fun.c

 

这是书上标准的 pty 程序，简单说起来就是提供一个伪终端给被调用程序使用，例如

pty prog arg1 arg2

相当于在新的伪终端上执行

prog arg1 arg2

从而可以避免一些直接执行 prog 带来的问题。

 

19.6 节重点介绍使用 pty 程序的 6 种场景，其中第 3 种是检查长时间运行程序的输出，

假设我们有一个程序 slowout，它要执行很长时间，而输出又稀稀拉拉，通过

slowout > out.log & 

执行，同时

tail -f out.log 

查看的话，因为输出到文件会被缓存，导致不能及时看到 slowout 的输出，甚至只有等 slowout 退出后，才能看到一点儿输出。

 

为了解决这个问题，引入 pty 程序

pty slowout > out.log &

此时通过 tail 命令查看日志文件就会比较及时，这是因为 pty 提供的伪终端是行缓存的，slowout 输出一行就会被写入文件。

 

事情这样就完美了？非也，作者提出了一个场景，当 slowout 有可能读取 stdin 的时候，因为它本身在后台执行，

一旦妄图读取终端上的输入，就会被系统自动挂起（SIGHUP），从而停止运行，这是作者不想看到的，于是他提出了一种解决方案，

即将标准输入重定向到 /dev/null，同时开启 pty 的 -i 选项：

pty -i slowout < /dev/null > out.log &

认为这样可以一劳永逸的解决问题。

 

先来看一下 pty 程序的运行态结构，再来看 -i 选项的作用，最后我们分析一下为什么这样做行不通。

 

 

运行时的 pty 首先通过 fork+exec 产生 slowout 子进程，其中标准输入、输出分别重定向到中间的伪终端从设备（pty slave device），

然后它自身又通过 fork 一分为二，pty 父进程负责读取标准输入，将内容导入到伪终端主设备（pty main device)，也就是 slowout 的输入；

pty 子进程负责从伪终端主设备（pty main device) 读取数据，也就是 slowout 的输出，并将内容导出到标准输出。

 

那么 pty 父子进程怎么退出呢? 当 slowout 结束时，子进程读伪终端主设备时返回 0，它知道工作进程结束后，也即将结束自己的工作，

但是父进程一直卡在读终端输入上，并不知道工作进程已经退出，于是 pty 子进程向父进程发送一个 SIGTERM 信号，由父进程捕获该信号后安全退出。

同理，当 pty 父进程检查到 stdin 上无更多输入后，会向 pty 子进程发送 SIGTERM 信号（前提是子进程未发送相同信号），从而终结子进程的等待 。

 

作者认为问题出现在 pty 父进程向 pty 子进程发送的这个 SIGTERM 信号上，因为重定向到 /dev/null 后，pty 父进程会从 stdin 读到 EOF，

从而向 pty 子进程发送 SIGTERM，导致子进程没有继续读 slowout 的输出就结束了。所以他为 pty 程序加了一个 -i 选项，如果该选项生效，

就在父进程读 stdin 失败后，不再向子进程发送 SIGTERM 信号，从而允许 pty 子进程读 slowout 的输出直到 slowout 结束。

 

这个想法很丰满，但是现实很骨感。

我测试的结果是，如果  slowout 不从标准输入读取的话，则一切正常；

而一旦有任何读取动作，都会导致  slowout 卡死，进而 pty 子进程卡死，这两个进程都没有机会退出。

 

slowout.c

 1 #include 
 2 #include 
 3 
 4 int main (void)
 5 {
 6     int i = 0; 
 7     while (i++ < 10)
 8     {
 9         printf ("turn %d\n", i); 
10         sleep (1); 
11         printf ("type any char to continue\n"); 
12 #ifdef HAS_READ
13         getchar (); 
14 #endif
15     }
16     return 0; 
17 }

 

未打开 HAS_READ 开关时，输出正常：

>./pty -i ./slowout < /dev/null > out.log & 
[1] 7616
>cat out.log
turn 1
type any char to continue
turn 2
type any char to continue
turn 3
type any char to continue
turn 4
type any char to continue
turn 5
type any char to continue
turn 6
type any char to continue
turn 7
type any char to continue
turn 8
type any char to continue
turn 9
type any char to continue
turn 10
type any char to continue
[1]+  Done                    ./pty -i ./slowout < /dev/null > out.log
>

 

打开 HAS_READ 开关后，发现进程卡死：

  PID  PPID  PGID   SID TPGID  SUID  EUID USER     STAT TT       COMMAND
 7650     1  7648 10887  7651   500   500 yunhai   S    pts/1    ./pty -i ./slowout
 7649     1  7649  7649  7649   500   500 yunhai   Ss+  pts/3    ./slowout

 

可以通过 ps 命令观察到卡死的进程，7650 为 pty 子进程，7649 为 slowout 子进程，7648 为 pty 父进程已退出。

通过 pstack 命令可以观察到 slowout 进程堵塞在 getchar 上：

>pstack 7649
#0  0x009c6424 in __kernel_vsyscall ()
#1  0x00751c53 in __read_nocancel () from /lib/libc.so.6
#2  0x006eb41b in _IO_new_file_underflow () from /lib/libc.so.6
#3  0x006ed13b in _IO_default_uflow_internal () from /lib/libc.so.6
#4  0x006ee74a in __uflow () from /lib/libc.so.6
#5  0x006e7d7c in getchar () from /lib/libc.so.6
#6  0x080485a1 in main ()

 

查看输出，果然卡死在第一次 getchar 上：

>cat out.log
turn 1
type any char to continue

 

为什么会这样呢？ 我们首先要清楚，重定向到 /dev/null 指的是 pty 父进程，并不是 slowout，因为 slowout 重定向到伪终端是固定的，不随外面的重定向操作而改变；同理，输出重定向到 out.log 指的是 pty 子进程，也不是 slowout。其实所有的重定向操作在 pty 程序运行起来时就已经完成了，根本无法传递到 slowout 的参数上（即使传递到了也不生效，因为没有 shell 做解析）。

我们可以通过在 slowout 中加入以下代码来验证上面的说法：

1     int tty = isatty (STDIN_FILENO); 
2     printf ("stdin isatty ? %s\n", tty ? "true" : "false"); 
3     tty = isatty (STDOUT_FILENO); 
4     printf ("stdout isatty ? %s\n", tty ? "true" : "false"); 

重新编译后输出如下：

stdin isatty ? true
stdout isatty ? true

 如果是重定向到 /dev/null 或文件后，isatty 绝对不可能返回 true，所以可以确定之前的说法是没问题的。

 

这样一来，当 slowout 尝试读取时，将从伪终端从设备读取，而这个并不会返回 eof，而是期待 pty 父进程将终端输入导向这里。但是 pty 父进程早就因为读取 /dev/null 得到 EOF 而退出了，只不过临退出前因为指定了 -i 参数，没有将 pty 子进程一并结束罢了。

所以这样就形成了堵塞的局面，而且这个应该是无解的。

其实 slowout 也可以通过 shell 脚本来实现，正如我一开始做的那样。

slowout.sh

1 #! /bin/sh
2 for ((i=0; i<10; i=i+1)) {
3     echo "turn $i"
4     ping www.glodon.com -c 4
5     #sleep 4
6     resp=$(read -p "type any char to continue")
7 }

 

如果使用 slowout.sh 作为工作进程，启动命令也需要改变一下：

>./pty -i bash -c ./slowout.sh > out.log < /dev/null &

结果是一样的 （我一开始还以为是 bash 从中进行了影响）。

 

最终的结论就是：pty 程序并不适用于 slowout 有读取的情况。