为什么Ctrl-C会中断当前运行程序

0x01 问题示例

以下是一个简单的测试程序，使用了Rust语言编写，其逻辑非常简单，即接收用户输入并将其输出。

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运行这个程序，然后按Ctrl-C：

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由上图可见，该程序没有收到任何输入，当然也没有任何输出，这个程序就退出了。

为什么Ctrl-C会导致当前运行程序退出呢？

0x02 程序退出原因

上面的测试程序之所以会退出，是因为Ctrl-C会告诉linux内核，让其发送SIGINT信号给当前运行程序，该信号的默认行为是杀掉目标进程，所以就有了上面的现象。

但是，SIGINT信号，以及其他的各种信号，都是可以捕获的，这样我们就可以修改信号的默认行为，比如将SIGINT信号的默认行为，修改成输出一些日志，而不是杀掉当前进程。

将上面的测试代码改成下面的样子：

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上图中我们捕获了SIGINT信号，并且在收到该信号后，输出 got SIGINT。

运行看下：

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这次再按Ctrl-C，程序就不会退出了，而且还会输出 got SIGINT。

由上可见，Ctrl-C导致程序退出，确实是因为该按键使内核发送了SIGINT信号到目标进程，进而导致目标进程被杀死。

那为什么Ctrl-C会触发SIGINT信号呢？

在回答这个问题之前，我们要先了解下terminal emulator，即终端模拟器，的运行机制。

0x03 Terminal Emulator的运行机制

我当前使用的terminal emulator为 alacritty，后面如果涉及到terminal emulator的源码分析，就是基于这个项目。

当然，以下讲的terminal emulator的运行机制，对于其他terminal emulator也同样适用。

当我们在图形化界面，打开一个terminal emulator时，terminal emulator会调用openpty函数，向linux内核申请一个pty数据通道，当该pty数据通道创建成功后，linux内核会返回两个文件描述符，即两个fd，给terminal emulator，这两个fd，就代表了新创建pty数据通道的两端，分别为master端和slave端。

当向master端的fd写数据时，该数据就可以从slave端的fd读出来，当向slave端的fd写数据时，该数据就能从master端的fd读出来。

当pty数据通道创建完毕后，terminal emulator就会调用fork函数，启动一个子进程，该子进程用来运行shell程序，比如bash、zsh等，同时会将该shell的标准输入，标准输出，标准错误输出，都设置为上面通过openpty函数获取的slave端的fd。

shell在启动成功后，会一直等待着从标准输入，即slave fd，里接收要执行的命令。

当terminal emulator启动成功后，我们就可以在其内部输入命令了，我们输入的命令，会被terminal emulator写入到master fd里，这样在shell子进程中，就可以通过标准输入，即slave fd，接收到这个命令，并开始执行。

shell在执行接收到的命令时，也是通过fork函数，创建一个子进程，然后在子进程里执行该命令对应的程序。

不过，这里需要注意的是，子进程中运行的命令程序，其标准输入，标准输出、标准错误输出都是继承自shell，即它的标准输入，标准输出、标准错误输出的值都是slave fd。

这样，当命令程序写日志到标准输出时，其实际上是写到了slave fd里，如此，在terminal emulator里，就可以通过master fd，读取到这些日志信息，并在terminal emulator里显示出来。

同样的道理，当我们此时在terminal emulator里输入内容时，该内容会被terminal emulator写入到master fd，进而就可以被命令程序进程，从标准输入，即slave fd，里读出来。

这里大家可能会有个疑问，即shell进程和当前运行的命令程序进程，他们的标准输入都是slave fd，那为什么我们写入到terminal emulator里的内容，是被命令程序进程读出来，而不是被shell进程读出来呢？

这个就涉及到terminal emulator使用权的概念了。

当shell进程刚启动成功后，terminal emulator的使用权自然是shell的，此时我们在terminal emulator里输入的内容，会被shell从标准输入，即slave fd，里读出来。

当shell启动一个子进程，并用该进程运行命令程序时，它会把terminal emulator的使用权，转交给该命令程序进程，此时我们在terminal emulator里输入的内容，会被该命令程序进程从它的标准输入，即slave fd，里读出来的。

当该命令程序进程退出后，linux内核会通知shell进程，告知它启动的子命令进程已经结束了，此时shell会把terminal emulator的使用权转回给自己，进而shell又可以开始从terminal emulator接收新的命令了。

下面我们来看一些具体的例子：

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上图是用ps命令输出的信息，看图中的选中行，第一行为alacritty进程，即我们最开始启动的terminal emulator，第二行为alacritty启动的子进程，在该子进程中，运行的是bash程序，第三行为bash启动的子进程，在该子进程中，运行的是我们文章最开始时使用的测试程序hello。

这三个进程的层级关系，和我们上面的描述是一致的。

我们再来看下alacritty启动bash子进程的相关代码：

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上图中make_pty函数内会调用openpty函数获取master fd和slave fd，在获取到master fd和slave fd后，slave fd被赋值到builder的stdin, stdout, stderr里，这样，在下面执行builder.spawn函数启动shell子进程时，其标准输入、标准输入、标准错误输出就都指向slave fd了。

另外，在上图中，master fd被保存到了Pty里，并和其他信息一起返回给该函数的调用方，这样，alacritty如果想要发送数据给shell时，就从Pty里获取到master fd，然后将数据写入到master fd里就好了。

0x04 Ctrl-C是如何处理的

上面我们讲过，我们在terminal emulator中输入的内容，会被terminal emulator写到内核的pty数据通道中，进而这些数据会被转发给shell进程，或者是在shell中运行的子进程。

那在terminal emulator里按Ctrl-C，也是这么处理的吗？

首先，Ctrl-C确实是被当作一个字符来处理的，且terminal emulator在接收到这个字符后，会直接写入到内核的pty数据通道，并不做特殊处理。

但是，在内核的pty数据通道里，有一个组件叫做 line discipline，它会检查要被传输的字符，如果字符流中包含Ctrl-C，它就会把Ctrl-C这个特殊字符从字符流中移除掉，并生成一个SIGINT信号，发送给目标进程。

如果目标进程没有捕获该信号，内核就会执行该信号的默认行为，即杀掉目标进程。

以下是生成SIGINT信号的内核代码：

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上图中，光标所在行就是在判断该字符是否是Ctrl-C，如果是，则发送SIGINT信号给目标进程。

由上图我们还可以看到，其实不止Ctrl-C这个特殊字符会转化成信号，QUIT字符Ctrl-\，SUSP字符Ctrl-Z等，都会被转化成对应的信号。

0x05 精致全景图

以上讲了很多理论，下面我们来画一幅图，来梳理下完整流程。

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首先，在terminal emulator启动成功后，我们在其中输入./hello命令，该命令沿着terminal emulator中的第一个输出箭头，即第一条虚线，经由内核pty数据通道，到达bash进程的stdin。

然后，bash从标准输入中读取到要执行的命令./hello，fork一个新的子进程，并在子进程中开始执行hello程序，此时bash也把terminal emulator的使用权交给了hello进程。

hello程序在开始运行后，就尝试从标准输入中读取数据。

接着，我们在terminal emulator中再输入hello world，该数据会沿着terminal emulator中的第二个输出箭头，即第一条实线，经由pty数据通道，到达hello进程的stdin。

hello进程从标准输入中读到hello world字符串，然后直接将其写入到了标准输出，该数据又经由内核pty数据通道，到达terminal emulator的master fd端。

terminal emulator从master fd中读取到hello world字符串，并将其显示在界面中。

hello进程在写完hello world字符串后，自己主动退出，bash检测到hello进程退出后，又把terminal emulator的使用权转回给自己。

bash写命令提示符 > 到标准输出，该数据再经由pty数据通道到达terminal emulator的master fd端。

terminal emulator从master fd中读取到bash的命令提示符，并将其显示在界面上，提示用户可以输入下一条命令了。

以上就是在terminal emulator中执行hello程序的完整流程。

从上图中我们还可以看到，假设我们在terminal emulator中按Ctrl-C，该数据在到达内核pty数据通道时，line discipline组件会将其转换成SIGINT信号，并发给目标进程。

这个也解答了我们此篇文章的疑问，现在你应该豁然开朗了吧。

另外，内核中 line discripline 组件的能力也是可以被修改的，比如我们可以修改成按Ctrl-B触发SIGINT信号，甚至是直接关闭SIGINT信号的生成，具体方式，可以查看stty命令的man文档。

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