终端规范模式和非规范模式

    终端规范模式很简单：发一个读请求，当一行已经输入后，终端驱动程序立即返回。以下几个条件都会造成读返回。
    1、所请求的字节数已读到时。此时无需读一个完整的行，如果读了部分行，也不会丢失任何信息，下一次读会从前一次读的停止处开始。
    2、当读到一个行定界符时。在终端特殊输入字符一节中已了解到，下列字符在规范模式中会被解释为“行结束”：NL、EOL、EOL2 和 EOF，还有如若已设置 ICRNL，但未设置 IGNCR，则 CR 字符的作用与 NL 字符一样，也会终止一行。
    3、如果捕捉到信号，并且该函数不再自动重启，则读也会返回。
    下面来看看 getpass 函数在 UNIX 系统中的一个典型实现。此函数由 login(1) 和 crypt(1) 程序调用。它读入用户在终端上键入的口令，它关闭了回显，但仍以规范模式工作，因为不管键入什么口令都能构成一个完整行。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <termios.h>

#define MAX_PASS_LEN	8		// max #chars for user to enter

char *getpass(const char *prompt){
	static char buf[MAX_PASS_LEN+1];	// null	byte at end

	sigset_t	set, oset;
	sigemptyset(&set);
	sigaddset(&set, SIGINT);		// block SIGSET
	sigaddset(&set, SIGTSTP);		// block SIGTSTP
	sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, &oset);	// and save mask

	FILE *fp;
	if((fp=fopen(ctermid(NULL), "r+")) == NULL)
		return NULL;
	setbuf(fp, NULL);				// close I/O buffer
	struct termios	termst, otermst;
	tcgetattr(fileno(fp), &termst);			// save tty state
	otermst = termst;				// structure copy
	termst.c_lflag &= ~(ECHO |ECHOE |ECHOK | ECHONL);	// disable echo
	tcsetattr(fileno(fp), TCSAFLUSH, &termst);

	fputs(prompt, fp);
	char *str = buf;
	int ch;
	while((ch=getc(fp))!=EOF && ch != '\n'){
		if(str < &buf[MAX_PASS_LEN])
			*str++ = ch;
	}
	*str = 0;			// null terminate
	putc('\n', fp);		// echo a newline

	tcsetattr(fileno(fp), TCSAFLUSH, &otermst);	// restore tty state
	sigprocmask(SIG_SETMASK, &oset, NULL);		// restore signal mask
	fclose(fp);
	return buf;
}

int main(void){
	char *ptr;
	if((ptr=getpass("Enter password: ")) == NULL){
		printf("getpass error\n");
		return 1;
	}
	printf("password: %s\n", ptr);
	while(*ptr != 0)
		*ptr++ = 0;		// zero it out when we're done with it
	return 0;
}

    关于本程序，需要注意以下几个方面。
    1、阻塞了信号 SIGINT 和 SIGTSTP。否则在输入 INTR 字符 或 SUSP 字符时都会使程序终止，然后在禁止回显状态下返回到终端。但没有一个 getpass 版本捕捉、忽略或阻塞 SIGQUIT 信号，所以输入 QUIT 字符就会使程序异常终止，并且很可能使终端保持在禁止回显状态。
    2、关闭了标准 I/O 流的缓冲，以免在读、写之间产生某些交叉（这样就需要多次调用 fflush）。也可使用不带缓冲的 I/O，但这样就需要使用 read 来模仿 getc 函数。
    3、由于 getpass 中使用静态存储区来存储输入的明文口令，所以为了安全起见，在程序完成后应在内存中消除它。因为要是该程序会产生其他用户可能读取的 core 文件（core 的系统默认许可权使每个用户都能读它），或者如果某个其他进程能够设法读该进程的存储空间，则它们就可能会读到这个口令。当然也可以在 getpass 中将该口令加密存储。

    可以通过关闭 termios 结构中 c_lflag 字段的 ICANON 标志来指定非规范模式。在非规范模式中，输入数据不装配成行，不处理下列特殊字符：ERASE、KILL、EOF、NL、EOL、EOL2、CR、REPRINT、STATUS 和 WERASE（见终端特殊输入字符）。当读取了指定量的数据，或者已经超过了给定量的时间后，就会通知系统返回数据。这使用了 termios 结构中 c_cc 数组的两个下标为 VMIN 和 VTIME 的两个变量：MIN 和 TIME。MIN 指定一个 read 返回前的最小字节数，TIME 指定等待数据到达的分秒数（分秒为秒的 1/10）。有下列 4 种情形。
    1、MIN > 0，TIME > 0：TIME 指定一个字节间定时器（interbyte timer），它只在第一个字节被接收时启动（这意味着在定时器超时时，read 至少会返回一个字节）。在定时器超时之前，若已接收到 MIN 个字节，则 read 返回 MIN 个字节。如果在接到 MIN 个字节之前，该定时器已超时，则 read 返回已接收到的字节。
    2、MIN > 0，TIME = 0：read 在接收到 MIN 个字节之前不返回。这可能会使 read 长期阻塞。
    3、MIN = 0，TIME > 0：这里的 TIME 指定的是一个在调用 read 时就会立即启动的读定时器。在接到一个字节或者该定时器超时时，read 即返回。如果是定时器超时，则 read 返回 0。
    4、MIN = 0，TIME = 0：如果有数据可用，则 read 最多返回所要求的字节数。否则立即返回 0。
    注意，为了兼容性，POSIX.1 允许下标 VMIN 和 VTIME 的值可分别与 VEOF 和 VEOL 的相同，但这同时也带来了可移植性问题。从非规范模式转换为规范模式时，必须恢复 VEOF 和 VEOL。例如，如果 VMIN 等于 VEOF，且不恢复它们的值，那么当把 VMIN 的典型值设置为 1 时，文件结束符就变成了 Ctrl+A。解决这一问题最简单的方法是：在要转入非规范模式时，将整个 termios 结构保存起来，以后再要转会规范模式时恢复它。
    下面这个程序中的函数 tty_cbreak 和 tty_raw 分别将终端设置为 cbreak 模式（cbreak mode）和原始模式（raw mode）。在这两种模式之间转换时，需要先调用 tty_reset 函数，它将终端恢复到调用 tty_cbreak 或 tty_raw 之前的工作状态，以减少出错时终端处于不可用状态的机会。程序中还提供了另外两个函数 tty_atexit 和 tty_termios。tty_atexit 可被登记为退出处理程序，以保证 exit 时恢复终端工作模式。tty_termios 则返回一个指向原来规范模式下 termios 结构的指针。不过在查看代码之前，先看一下 cbreak 模式和 raw 模式要满足的要求，其中涉及到的终端标志介绍可见终端 I/O 综述。
    cbreak 模式要满足的要求如下。
    1、非规范模式。如上文所述，这种模式关闭了对某些输入字符的处理，但没有关闭对信号的处理。调用者一般应当捕捉这些信号，以免使程序终止，导致终端保持在 cbreak 模式。
    2、关闭回显。
    3、每次输入一个字节。为此，可将 MIN 和 TIME 分别设置为 1 和 0。
    raw 模式要满足的要求如下。
    1、非规范模式，同时还关闭了对信号产生字符 ISIG 和扩充输入字符 IEXTEN 的处理，另外还禁用了 BRKINT 字符，使 BREAK 字符不再产生信号。
    2、关闭回显。
    3、禁止输入中的 CR 到 NL 映射 ICRNL、输入奇偶检测 INPCK、剥离输入字节的第 8 位 ISTRIP 以及输出流控制 IXON。
    4、8 位字符 CS8，且禁用奇偶校验 PARENB。
    5、禁止所有输出处理 OPOST。
    6、每次输入一个字节（MIN=1, TIME=0）。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

static struct termios	save_termios;
static int				ttysavefd = -1;
static enum{RESET, RAW, CBREAK}	ttystate = RESET;

int tty_cbreak(int fd){		// put terminal into a cbreak mode
	if(ttystate != RESET){
		errno = EINVAL;
		return -1;
	}
	struct termios	buf;
	if(tcgetattr(fd, &buf) < 0)
		return -1;
	save_termios = buf;		// structure copy
	buf.c_lflag &= ~(ECHO | ICANON);	// echo off, canonical mode off
	buf.c_cc[VMIN] = 1;		// 1 byte at a time,
	buf.c_cc[VTIME] = 0;	// and no timer
	if(tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &buf) < 0)
		return -1;
	//Varify that the changes stuck. tcsetattr can return 0 on partial success
	int err;
	if(tcgetattr(fd, &buf) < 0){
		err = errno;
		tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &save_termios);
		errno = err;
		return -1;
	}
	if((buf.c_lflag & (ECHO |ICANON)) || buf.c_cc[VMIN]!=1 || buf.c_cc[VTIME
]!=0){
		//only some of the changes were made, restore the original settings
		tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &save_termios);
		errno = EINVAL;
		return -1;
	}
	ttystate = CBREAK;
	ttysavefd = fd;
	return 0;
}

int tty_raw(int fd){	// put terminal into a raw mode
	if(ttystate != RESET){
		errno = EINVAL;
		return -1;
	}
	struct termios	buf;
	if(tcgetattr(fd, &buf) < 0)
		return -1;
	save_termios = buf;		// structure copy
	buf.c_lflag &= ~(ECHO |ICANON |IEXTEN |ISIG);
	buf.c_iflag &= ~(BRKINT |ICRNL |INPCK |ISTRIP | IXON);
	buf.c_cflag &= ~(CSIZE |PARENB);
	buf.c_cflag |= CS8;		// set 8 bits/char
	buf.c_oflag &= ~(OPOST);
	buf.c_cc[VMIN] = 1;
	buf.c_cc[VTIME] = 0;
	if(tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &buf) < 0)
		return -1;
	int err;
	if(tcgetattr(fd, &buf) < 0){
		err = errno;
		tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &save_termios);
		errno = err;
		return -1;
	}
	if((buf.c_lflag & (ECHO |ICANON |IEXTEN |ISIG)) ||
		(buf.c_iflag & (BRKINT |ICRNL |INPCK |ISTRIP |IXON)) ||
		(buf.c_cflag & (CSIZE |PARENB |CS8)) != CS8 ||
		(buf.c_oflag & OPOST) || buf.c_cc[VMIN]!=1 || buf.c_cc[VTIME]!=0
)
	{
		tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &save_termios);	
		errno = EINVAL;
		return -1;
	}
	ttystate = RAW;
	ttysavefd = fd;
	return 0;
}

int tty_reset(int fd){		// restore terminal's mode
	if(ttystate == RESET)
		return 0;
	if(tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &save_termios) < 0)
		return -1;
	ttystate = RESET;
	return 0;
}

void tty_atexit(void){		// can be set up by atexit(tty_atexit);
	if(ttysavefd >= 0)
		tty_reset(ttysavefd);
}

struct termios *tty_termios(void){	// let caller see original tty state
	return &save_termios;
}

/* ======================= test ============================ */
static void sig_catch(int signo){
	printf("signal caught\n");
	tty_reset(STDIN_FILENO);
	exit(0);
}

int main(void){
	atexit(tty_atexit);
	signal(SIGINT, sig_catch);		// catch SIGINT
	signal(SIGQUIT, sig_catch);		// catch SIGQUIT
	signal(SIGTERM, sig_catch);		// catch SIGTERM

	int	i;
	char c;
	if(tty_raw(STDIN_FILENO) < 0){
		printf("tty_raw error\n");
		return 1;
	}
	printf("Enter raw mode characters, terminate with Backspace\n");
	while((i=read(STDIN_FILENO, &c, 1)) == 1){
		if((c &= 255) == 0177)		// 0177 = ASCII Backspace
			break;
		printf("%#o\n", c);
	}
	if(i <= 0){
		printf("read error\n");
		return 1;
	}

	tty_reset(STDIN_FILENO);

	if(tty_cbreak(STDIN_FILENO) < 0){
		printf("tty_cbreak error\n");
		return 1;
	}
	printf("\nEnter cbreak mode characters, terminate with SIGINT\n");
	while((i=read(STDIN_FILENO, &c, 1)) == 1)
		printf("%#o\n", c & 255);
	if(i <= 0){
		printf("read error\n");
		return 1;
	}

	tty_reset(STDIN_FILENO);
	return 0;
}

    编译后运行该程序，可以观察到两种终端模式的工作情况如下。

$ ./termmode.out 
Enter raw mode characters, terminate with Backspace
                                                   04            # Ctrl+D
                                                     03          # Ctrl+C
                                                       033       # F7
                                                          0133
                                                              061
                                                                 070
                                                                    0176
                                                        # Backspace
Enter cbreak mode characters, terminate with SIGINT
01                     # Ctrl+A
0177                   # Backspace
signal caught          # Ctrl+C

    这里，在原始模式中，输入的字符是文件结束符 Ctrl+D（04）、中断符 Ctrl+C（03）和特殊功能键 F7。该功能键在本人所用的终端上产生 5 个字符：ESC（033）、[（0133）、字符 1（061）、字符 8（070）和 ~（0176）。注意，因为在原始模式下关闭了输出处理（~OPOST），所以在每个字符后没有得到回车符。在 cbreak 模式下，不对特殊输入字符进行处理，但是仍对终端产生的信号进行处理。