终端 Terminal 的一些实现细节分享

2023年08月02日 Terminal Terminal 评论

在日常开发中，相信很多小伙伴好奇过以下一些问题，尤其是经常使用命令行工具的…

为什么 AndroidStudio/IDEA 能打印各种颜色的日志
各种 CLI 在执行时，底下的进度条是怎么实现的
Vim 在 Terminal 中是如何做到清屏和恢复屏幕的
StartAgent 运维平台的 Web Terminal 是怎么做到跟 Terminal 类似的
SpringBoot 启动 Logo 是怎么打印出来的

最近在建设云真机平台时，为了便于对宿主机服务器 & Android设备的控制，增加了Web Terminal 的功能，通过终端指令控制设备，包含 Web SSH、Android 远程 Shell等，实现过程还蛮有趣的，所以也重新整理了一下 Terminal 的一些细节原理。

终端（Terminal）

通常来讲，操作系统分为两部分，内核和用户交互界面。

内核

支持各种命令，负责操作系统底层复杂的操作

用户交互界面

展示在屏幕的交互界面，例如各种应用程序窗口

终端

负责输入输出，为内核和用户交互界面搭桥，我们通常说的终端（Terminal），是指处理终端指令的应用程序，比如 Mac的Terminal、Windows的cmd.exe，实际上是终端命令行界面，在图形界面普及之前使用最广泛，通常不支持鼠标操作，用户通过键盘输入指令，Shell翻译并交给系统执行。正因为通过终端，可以轻易的和内核通信，即便Linux系统无图形界面，也不妨碍它成为优秀的操作系统。

Shell

Shell常常运行在终端中，是操作系统内核和用户交互的接口程序，可以理解为命令行解释器。例如 Bash、Zsh 都属于 Shell。Linux、Mac早期版本自带的 Shell 就是 bash，正常情况下 Terminal 输入的指令，是交给 bash 执行。

那为什么 Terminal 可以执行 ll 指令，但是 bash 却执行不了呢？原因是 ll 并不是一个标准的 bash 指令，而是 Terminal 在 bash 之上做的扩展，定义了一个别名（alias），实际上相当于执行 ls -l ，所以我们也可以在 bash 里定义一个别名。

macOS 从 Catalina 版开始，使用 Zsh 作为默认 Shell，Zsh 比 bash 有更好的交互体验和兼容性，比如从上图也可以看出来，Zsh 可以设置丰富多彩的颜色。

控制字符&转义序列

控制字符

在 ASCII 码表中，前32个字符编码是不能用于打印的，而是用于控制终端行为，这些字符被称为控制字符。如下所示：

例如我们常用的控制字符有：

\n（换行）：将光标移动到下一行的开头。
\r（回车）：将光标移动到当前行的开头。
\b（退格）：将光标向后移动一个字符。
\t（制表符）：将光标向右移动到下一个制表符位置。

从图上可以看出，例如Tab 键的 ASCII 码为 9 ，可以用 \t 表示；Enter键的 ASCII 码为 10，可以用 \n 表示。

转义字符

转义字符是以反斜杠（\）开头的字符序列，它们表示一些特殊的字符。转义字符可以用于在字符串中插入一些特殊的字符，例如引号或换行符。

以下是一些常见的转义字符及其作用：

\'（单引号）：用于在字符串中插入一个单引号。
"\（双引号）：用于在字符串中插入一个双引号。
\\（反斜杠）：用于在字符串中插入一个反斜杠。
\n（换行）：用于表示一个换行符。
\t（制表符）：用于表示一个制表符。

ANSI 转义序列

ANSI 转义序列是由 ESC （ASCII 码表中的 27）开头的一些字符序列，用于表示一些特殊的字符或控制序列。转义序列通常用于在终端中显示一些特殊的效果，例如颜色、光标位置等。

转义序列通常以 \033[……m 开头，以 \033[0m 结尾。

例如我们通过 Python 打印一些内容：

1	print("\033[31;1;4mHello\033[0m")

或者通过 Java 在控制台打印一些内容：

1 2	System.out.println("\u001b[30mHello\u001b[0m"); System.out.println("\u001b[31;1;4mHello\u001b[0m")

或者通过 JS 在浏览器控制台里打印一些内容：

1 2	console.log("\u001b[91mHello\u001b[0m") console.log("\u001b[96;1;3mHello\u001b[0m")

或者直接在终端通过 Shell 脚本打印：

1 2	echo "\u001b[91mHello\u001b[0m" echo "\u001b[96;1;3mHello\u001b[0m"

样式说明

\033、\x1b、\u001b 三种是一样的，分别代表 8进制、16进制、unicode 16进制的 27，也就是对应上面提到的 ESC 的 ASCII 码。

左边部分的31代表红色 1代表粗体 4代表下划线

右边部分的0代表清空第一部分的所有效果，如果不清空，则样式会一直延续，如下所示：

当然也可为文字添加背景色，有以下两种形式：

1
2
3

\u001b[前景色代码;背景色代码m

\u001b[前景色代码m\u001b[背景色代码m

例如：

# \u001b[黑字；绿底m
print("\u001b[37m\u001b[42mHello\u001b[0m")
# \u001b[黑字；灰底m
print("\u001b[30;47mHello\u001b[0m")
# \u001b[黑字；灰底；加粗；下划线m
print("\u001b[30;47;1;4mHello\u001b[0m")

效果如下所示：

3/4位颜色表示法

起初ANSI只支持3位表示法，也就是只有 2^3=8 种。

07：设置字体
3037：设置前景色
40~47：设置背景色

后来为了实现更明亮的字体，扩展到4位，有 2^4=16 种。

07：设置字体
3037 9097：设置前景色
4047 100~107：设置背景色

print("\u001b[91mHello\u001b[0m")
print("\u001b[96mHello\u001b[0m")
# \u001b[亮青字；亮黄底m
print("\u001b[96m\u001b[103mHello\u001b[0m")

每一种终端对颜色代码的实现效果上有一些差异。颜色代码对照表如下所示：

8位颜色表示法

随着显卡支持256色查找表，相应的转义序列也增加到 2^8=256 种。

015: 标准颜色 & 高强度色
16231: 216种 RGB 颜色
232~255： 24种灰度色

1
2
3

print("\u001b[48;5;177mHello\u001b[0m")
print("\u001b[38;5;177mHello\u001b[0m")
print("\u001b[38;5;177m\u001b[48;5;159mHello\u001b[0m")

8位颜色对照表如下所示：

24位颜色表示法

后来”真彩色“显卡普及，支持24位颜色，转义序列也增加到 2^24=16777216 种，也就是我们常用的 RGB 颜色。
但是 Mac 的终端目前不支持，浏览器控制台支持。

1
2
3

console.log("\u001b[38;2;255;0;0mHello\u001b[0m")
console.log("\u001b[38;2;255;0;0;1;3mHello\u001b[0m")
console.log("\u001b[38;2;255;255;0;1;3m\u001b[48;2;0;0;255mHello\u001b[0m")

光标移动

前面提到 ANSI 转义序列，只是控制了颜色，实际上转义序列还有其他许多能力，例如光标移动，转义序列如下：

上: \u001b[{n}A

下: \u001b[{n}B

右: \u001b[{n}C

左: \u001b[{n}D

注：{n} 表示移动n个字符

通常来讲，我们打印内容时如果不做特殊处理，光标会自动移动到最后，例如：

那如果想在打印进入的时候，不断刷新前面的进度数字呢？那就需要依靠光标移动，例如：

import time, sys

def loading():
    print("Loading...")
    for i in range(0, 100):
        time.sleep(0.05)
        sys.stdout.write(u"\u001b[1000D" + str(100-i + 1) + "%")
        sys.stdout.flush()
    print("\nDone!")


loading()

打印 1%~100% 进度的时候，通过 sys.stdout.write 标准输出，打印在同一行，在每次打印进度之前，通过 \u001b[1000D 指令，把光标移动到行首，之后打印的值会覆盖前面的。但这里有其实个细节，比如光标移动到行首并打印3个字符，就只会覆盖前三个字符，假设原来这一行里面有4个字符，那么第4个字符就不会被清除。不过这里 1-100 刚好是字符数越变越大，所以也没问题。

进度条光展示数字显然不够骚气，平时各种 CLI 命令行的进度条是怎么实现的呢？

import time, sys

def loading():
    print("Loading...")
    for i in range(0, 100):
        time.sleep(0.05)
        width = int((i + 1) / 4)
        bar = "[" + "▆" * width + " " * (25 - width) + "]" # ▆表示当前进度 空格表示其余部分
        sys.stdout.write(u"\u001b[1000D" + bar)
        sys.stdout.flush()
    print("\nDone!")

loading()

每次根据当前进度，光标移到行首，覆盖打印对应的小方块，其余部分打印空格。

很多时候，CLI 背后可能在同时执行多个任务，那么通过光标移动也可以实现同时打印多个进度条，例如：

import time, sys, random

def loading(count):
    all_progress = [0] * count
    sys.stdout.write("\n" * count)
    while any(x < 100 for x in all_progress): # 等待所有进度条 100%
        time.sleep(0.01)
        # 随机为其中一个还没完成的进度条 进度+1
        unfinished = [(i, v) for (i, v) in enumerate(all_progress) if v < 100]
        index, _ = random.choice(unfinished)
        all_progress[index] += 1
        # 光标向左移动到行首
        sys.stdout.write(u"\u001b[1000D")
        # 光标向上移动到对应进度条的那一行
        sys.stdout.write(u"\u001b[" + str(count) + "A")
        for i in range(len(all_progress)):
            progress = all_progress[i]
            width = int(progress / 4)
            # 打印对应进度
            print("progress" + str(i + 1) + ": [" + "▇" * width + " " * (25 - width) + "]")
    print("Done!")

loading(3)

自定义命令行工具

如何自定义一个命令行工具？核心就是接收输入数据->交给系统执行->打印输出->继续接收输入数据…..
前面提到，当键盘摁下的键属于控制字符时（ASCII码 < 32），例如回车、删除、方向键、Tab键，不做特殊处理是无法识别成对应操作的，例如：

import sys, tty

def command_line():
  tty.setraw(sys.stdin)
  while True:
    input_text = ""
    index = 0
    while True:
      char = ord(sys.stdin.read(1))

      if char == 3:  # CTRL + C
        return
      elif 32 <= char <= 126: # 正常字符输入
        input_text = input_text[:index] + chr(char) + input_text[index:]
        index += 1
      elif char in {10, 13}: # 回车换行
        sys.stdout.write(u"\u001b[1000D") # 光标回到行首
        print("\nechoing... ", input_text)
        input_text = ""

        sys.stdout.write(u"\u001b[1000D")
        sys.stdout.write(input_text)
        sys.stdout.flush()

command_line()

在接收输入的时候，只处理了 CTRL+C 和 ENTER 键，当我们摁下方向键时，上下左右就会变成 [A[B[D[C，这样就无法实现光标移动，输入数据插入到前面的效果。

解析方向键&删除键

从输入的字符里面，解析是否是方向键或删除键（这里没有处理上键和下键，一般对应获取历史输入的命令）

import sys, tty


def command_line():
    tty.setraw(sys.stdin)
    while True:
        input_text = ""
        index = 0
        while True:
            char = ord(sys.stdin.read(1))

            if char == 3:  # CTRL + C
                return
            elif 32 <= char <= 126:  # 正常字符输入
                input_text = input_text[:index] + chr(char) + input_text[index:]
                index += 1
            elif char in {10, 13}:  # 回车换行
                sys.stdout.write(u"\u001b[1000D") # 光标回到行首
                print("\nechoing... ", input_text)
                input_text = ""
                index = 0
            elif char == 27:
                next1, next2 = ord(sys.stdin.read(1)), ord(sys.stdin.read(1))
                if next1 == 91:
                    if next2 == 68:  # 左方向键ANSI：\u001b[D  27表示ESC，91表示[ 68表示D
                        index = max(0, index - 1)
                    elif next2 == 67:  # 右方向键ANSI：\u001b[D  27表示ESC，91表示[ 67表示C
                        index = min(len(input_text), index + 1)
            elif char == 127:  # 退格键
                input_text = input_text[:index - 1] + input_text[index:]
                index -= 1
            sys.stdout.write(u"\u001b[1000D")  # 光标移动到行首
            sys.stdout.write(u"\u001b[0K")  # 清除当前行
            sys.stdout.write(input_text)  # 重新打印当前行的数据
            sys.stdout.write(u"\u001b[1000D")  # 移动光标到行首
            if index > 0:
                sys.stdout.write(u"\u001b[" + str(index) + "C")  # 移动光标到当前位置
            sys.stdout.flush()


command_line()

可能涉及的其他常用指令：

清除屏幕：\u001b[{n}J
- n=0：清除光标到屏幕末尾的所有字符。
- n=1：清除屏幕开头到光标的所有字符。
- n=2：清除整个屏幕的字符。
清除行：\u001b[{n}K
- n=0：清除光标到当前行末所有的字符。
- n=1：清除当前行到光标的所有字符。
- n=2：清除当前行。
光标按行向下移动：\u001b[{n}E 将光标向下移动n行并且将光标移至行首。
光标按行向上移动：\u001b[{n}F 将光标向上移动n行并且将光标移至行首。
设置光标所在列：\u001b[{n}G 将光标移至当前行的第n列。
设置光标所在位置：\u001b[{n};{m}H 将光标移至第n行m列。

Vim 清屏实现原理

保存/恢复 Terminal屏幕：通过 smcup、rmcup 控制码
smcup (Start Cursor Position) 用于启用终端屏幕上的复杂图形和窗口环境。当 smcup 被发送到终端时，终端会将当前屏幕内容保存到缓冲区中，并进入图形环境。
rmcup (Reset Cursor Position) 用于禁用终端屏幕上的复杂图形和窗口环境。当 rmcup 被发送到终端时，终端会从缓冲区中恢复上一个屏幕状态，结束图形环境并返回到普通终端模式。

以下通过 Shell 脚本模拟一个类似 Vim 清屏->输入数据->恢复屏幕的过程

# !/bin/bash  

# 保存屏幕内容
tput smcup
# 清除屏幕内容
clear

read -p "Enter your name:" name # 等待输入信息

# 输入完成，按任意键结束
read -n1 -p "Press any key to continue..."

# 恢复屏幕内容
tput rmcup

Tab 键自动补全原理

在 Terminal 中，Tab 键可以用于自动补全命令和文件名。当用户在 Terminal 中输入部分命令或文件名并按下 Tab 键时，终端程序会根据当前所在目录以及用户输入的内容，搜索与之匹配的命令和文件名，并在屏幕上显示匹配的结果。

摁下Tab键之后，如果有多个匹配项，继续摁Tab可以实现在这些匹配项里面顺序选择。里面实际上也是不断修改输入的内容，调整光标位置，当前选中的项加上背景色。

SpringBoot 启动广告如何实现

这个跟 Terminal 关系不大，其实就是一种艺术字符号转换。
在线生成链接，里面有很多花里胡哨的字体：https://tooltt.com/art-ascii/

生成后复制下来保存到文件（因为有些艺术字包含特殊字符直接放到代码里会报错）里，读取并打印到控制台。也可通过前面提到的 ANSI 为其加上字体颜色。

import os.path

if __name__ == "__main__":
    print("\033[5;36m{}\033[0m".format(open(os.path.dirname(__file__) + "/banner", 'r').read()))
    # ...

本文链接： http://smuyyh.top/2023/08/02/terminal-info/

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所长

Android Development Engineer