ターミナル雑記 - Speaker Deck

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ターミナル雑記端末と和解せよ発表者: すとんりばー

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自己紹介

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自己紹介 Twitter : @strvert GitHub : strvworks HN：すとんりばー所属 : 　苫小牧高専情報科学・工学系 undeﬁned年　ソフトウェアテクノロジー部, 情報処理同好会　LOCAL学生部趣味 : 　ArchLinux, Vim, C++, Python, 自鯖運用, 読書 Go 活動 : 　プログラミング教育活動, 技術系アルバイト, 　ゲーム開発サークル運営, イベント・勉強会運営お気持ち : 　僕ここにいて良いのかな？

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質問皆さんはターミナルエミュレータを利用した経験がありますか？

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質問皆さんは普段ターミナルエミュレータを利用して生活を送っていますか？

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質問では、ターミナルエミュレータとはそもそも何かを理解していますか？

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質問では、ターミナルエミュレータとはそもそも何かを理解していますか？なんとなくコマンドを打ち込んで応答してくれる物として見てしまいがちですが、その正体や持っている機能について触れてみたいと思います。

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ターミナルエミュレータとは

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ターミナルエミュレータとはターミナルエミュレータについて理解するために、このターミナルエミュレータという名前に注目してみましょう。

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ターミナルエミュレータとはターミナルエミュレータについて理解するために、このターミナルエミュレータという名前に注目してみましょう。そもそもエミュレータというからには、何らかの元となる物の動作を模倣したソフトウェアであるはずです。

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ターミナルエミュレータとは少しコンピュータの歴史を遡ってみると、以下のような機器が出てきます。

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ターミナルエミュレータとはこの機器は、1978年にDigital Equipment Corporation社が発売した、VT100という機種の当時のデファクトスタンダードとなっていたターミナル(端末)です。もちろん完全CUIで、私達の知るような動画再生も音楽再生もできません。

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ターミナルエミュレータとはしかしVT100には、それまでに普及していたターミナルと異なるいくつかの特徴がありました。

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ターミナルエミュレータとはしかしVT100には、それまでに普及していた端末と異なるいくつかの特徴がありました。 - 表示文字の点滅機能 - 反転表示機能 - 下線機能 - etc… 　　　　つまり、文字の装飾機能

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ターミナルエミュレータとはこれらの機能は今のGUIの世界から見れば大したことのない機能ですが、完全なCUIの世界であった当時としては、これは非常に革新的かつグラフィカルな機能として迎えられました。

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ターミナルエミュレータとは VT100は様々な文字装飾機能などを搭載していましたが、これはVT100独自の機能ではなく、 ANSI X3.64(ANSI escape code)というANSI規格による文字制御の規格に準拠したものでした。

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ターミナルエミュレータとはしかし、VT100が広く普及したため、ANSI X3.64準拠端末をVT100互換とすることも多くありました。

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ターミナルエミュレータとはしかし、VT100が広く普及したため、ANSI X3.64準拠端末をVT100互換とすることも多くありました。そして実は、現代に存在するターミナルエミュレータというのは、その多くがこのVT100の機能を模倣したソフトウェア達なのです。

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ターミナルエミュレータとはしかし、実機時代に普及した端末はVT100だけではありません。後継となる主な端末としてVT220, VT340といった端末も存在し、これらの機能の一部も現代のターミナルエミュレータに取り込まれています。

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ターミナルエミュレータとはさらに、現代においてはGUIのWMが普及したことから、複数のターミナルエミュレータのウィンドウを起動して、同時に複数のターミナルにアクセスすることが可能になっています。これは実機時代にはできなかったことです。

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ターミナルエミュレータとは現在導入しやすく比較的知られているものの中で、VT100などの端末に対する機能の互換性が特に高い端末をいくつか紹介します。 ● Linux ○ Xterm ○ Mlterm ● Windows ○ Mintty ○ RLogin ○ TeraTerm

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ターミナルエミュレータとはなお、GUI環境よりも下の環境でUNIX系OSを操作するときに起動する端末は、各OS毎に異なるエミュレータ実装となっています。ターミナルエミュレータ自体の誕生過程とどうしてあのような形なのかなんとなくイメージが付きましたでしょうか？

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ターミナルエミュレータ周辺の構成

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周辺の構成ターミナルエミュレータの起源についてざっくりとお話しましたが、ターミナルエミュレータ周辺の技術的な構成はどうなっているのでしょうか。

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周辺の構成ターミナルエミュレータ単体では普段行うような操作は当然できず、その他多くのソフトウェアと相互に連携が行われています。

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周辺の構成これは、GUI環境においてターミナルエミュレータとその他のソフトウェアが連携して動作するにあたって組まれている構成の概略図です。あえて分割して描きましたが、ターミナルエミュレータも当然CUIを提供するGUIアプリケーションであるため、WMの上に位置することになります。

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周辺の構成そして、ターミナルエミュレータを介したユーザーの入出力は、ターミナルエミュレータ自体でコマンドの解釈や処理は一切行わず、そのバイトデータがシェルに送信されます。実際にカーネルへコマンドを渡したり、システムの機能を利用したり結果を受け取っているのはすべてシェルです。

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周辺の構成つまり、ターミナルエミュレータはあくまでも入力と出力そのものしか行っていないのです。橋渡しの描画役であって、自らコマンドの処理を行うことはまずありません。では、先程紹介したようなグラフィカルな文字の装飾などはどのように行われているのでしょうか。

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制御コード

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制御コードターミナルエミュレータが画面を描画するにあたっては、受動的にバイトデータを受け取ることだけが基本となります。その中で、様々な効果を利用するために用いられるのが制御コードです。

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制御コードターミナルエミュレータは、自分に渡されてきたバイトデータを監視しています。そして、データ中に特定の制御コードが認められると、その制御コード自体は出力せず、制御コードに割り当てられた動作を自ら行います。

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制御コード現在利用されている文字コード達の歴史をたどるとそれらの大本に位置しているのは、ご存知ASCIIコードです。

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制御コード現在知られているASCIIコードはこのようなものです。

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制御コード現在知られているASCIIコードはこのようなものです。制御コードとして定義されている文字は、青色の部分になります。 ※SPは現在はちょっと特殊

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制御コード「「そんなこと知ってるが？？」」と思ったかもしれません。では、ASCIIコードが何の機器で利用するために策定された文字コードであるかご存知でしょうか。

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制御コード実はASCIIコードは、本来コンピュータで利用することを想定して策定されたものではなく、テレタイプという遠隔で文字を送信するタイプライターのような機器で用いられるものでした。

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制御コードテレタイプは電動の機械式タイプライターであるため、計算機能は持たず、遠隔地に存在する接続したテレタイプにセットされた紙に機械的に印字を行うものでした。遠隔地のテレタイプに対して印字以外の改行や改ページなどの動作を命令するために、制御コードが必要となったのです。

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制御コードその視点で、ASCIIコードの制御コードをいくつか見てみましょう。制御コードテレタイプにおける動作現在の動作エスケープコード SP 用紙を左に1文字分ずらす制御 “空白”を入力(非制御コード) - BS 用紙を右に1文字分ずらす制御左1文字削除(制御コード) \b LF 用紙を上に1行分ずらす制御次行に移動 \n CR 用紙を1番右へずらす制御行頭に移動 \r OSによって改行コードが異なる事があるのはここが由来 Unix系はコンピュータに向けて最適化 (LF) Windowsはテレタイプ準拠(LFCR)

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制御コード ASCIIコードの源流がテレタイプのようなものであることを考えれば、ターミナルエミュレータがあくまでも入力の受け取りと、渡されたバイトデータの適切な表示のみを行うソフトウェアであるということがより直感的に理解できるかと思います。この図はちょっと分け方が微妙

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制御コードしかし、テレタイプが前述の完全電子式の端末やミニコンピュータなどに置きかえられ始めると、ASCIIに定義された最低限の制御コードのみでは表現の幅が足りなくなるようになりました。そこで、より拡張された制御コードが登場しました。

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エスケープシーケンス

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エスケープシーケンスエスケープシーケンスとは、単一の制御コードではなく、特定の制御コードのパターンで端末に対して指示を出すシーケンスのこと。

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エスケープシーケンス以下は、エスケープシーケンスの種類の一部です。実際にはもっと多くの種類が存在します。制御シーケンス(コード)名開始コード効果 ESCシーケンス \e, \033, \x1b 全般的な制御。また、あらゆるシーケンスの開始に含まれる。ASCIIに存在。 CSIシーケンス ESC + [ , ( \x1b[ ) Control Sequence Introducer 様々な端末コントロール、情報取得 DCSシーケンス ESC + P, ( \x1bP) Device Control String OSCシーケンス ESC + ], (\x1b]) Operating System Command OSに関係する制御。ウィンドウ情報など。

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エスケープシーケンスエスケープシーケンスは、新たな文字を追加することなく制御コードを拡張できるよう策定されています。そのため、ESC制御コードを先頭においたシーケンスで構成されます。

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エスケープシーケンス例えば、以下のようなエスケープシーケンスが存在します。シーケンス概要 CSI Ps A カーソルを Ps 行上に移動する。 CSI Ps B カーソルを Ps 行下に移動する。 CSI Ps1 m 以降の出力背景をPs1 に指定した色に変更。 (赤=41, 緑=42, …..) CSI Ps c 端末特性を報告する。これを見ると何に準拠しているかわかる ESC # 8 画面を全部Eで埋める (描画範囲とかのテストに使うらしい ) シェルで試す例:　 for i in {47..40}; do echo -e ’\x1b[’${i}’m’; done　 // (PARTY)

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エスケープシーケンスシーケンス概要(抜粋) CSI Ps1 ; Ps2 ; Ps3 t Ps1 = 1 ウィンドウを通常表示状態にする。 = 2 ウィンドウを最小化する。 = 3 ウィンドウ位置を Ps2, Ps3 に移動する。 = 4 ウィンドウサイズを高さ Ps2 ドット, 幅 Ps3 ドットに変更する。 = 5 ウィンドウを前面に移動する。 = 6 ウィンドウを背面に移動する。 = 10 端末のフルスクリーンモードを変更する。 Ps2 = 0 フルスクリーン状態を解除する = 1 フルスクリーン状態にする = 2 フルスクリーン状態を変更する(トグル) シェルで試す例:　 echo -e ’\x1b[3;100;100t’　// (ウィンドウを左上から100, 100に移動) echo -e ’\x1b[10;1;t’　// (ウィンドウをフルスクリーンに！) だんだんCUIを超越してくる

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エスケープシーケンスシーケンス概要(抜粋) CSI Ps1 ; Ps2 ' z Ps1 = 0 ロケータ報告を無効にする = 1 ロケータ報告を有効にする = 2 ワンショットモード。 Ps2 = 0 文字モード。2 と同じ。 = 1 ピクセルモード。位置をピクセル単位で報告する。 = 2 文字モード。位置を文字単位で報告する。 CSI ' | ウィンドウ上のロケータ (マウスカーソル)の位置、ボタン状態などを報告。ロケータ報告が有効化されている必要がある。戻り値が発生しはじめる各ターミナルが対応しているかはともかく、本当に多くのエスケープシーケンスが存在するので、見ると面白いです。 Xtermが対応している制御シーケンス : https://invisible-island.net/xterm/ctlseqs/ctlseqs.pdf

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エスケープシーケンスの利用

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エスケープシーケンスの利用色々と紹介してきましたが、実際にCUIアプリケーションを作成するにあたってエスケープシーケンスをどのように利用すればいいでしょうか。

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エスケープシーケンスの利用単純に端末に対して一方的な命令を送るものであれば、標準出力を行う関数等に文字を出力させるだけで、ターミナルエミュレータが読み取って効果を発揮してくれます。

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エスケープシーケンスの利用問題は結果を返すタイプのエスケープシーケンスです。これらは値を返しますが、あくまでターミナルの機能の中で動作するため、値はキーボードで入力したときと同様の状態になります。

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エスケープシーケンスの利用通常、標準入力から値を受け取るには改行コードが入力される必要があります。これはターミナルインターフェイスが入力を行単位で受け付けることが原因です。

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エスケープシーケンスの利用これは端末が入力を行単位で受け付けることが原因です。端末は行単位で入力をバッファリングし、改行コードを検知して標準入力に渡すことで処理効率を向上させています。そして、このような入力状態のことをカノニカルモードと言います。

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エスケープシーケンスの利用カノニカルモードに対して、バッファリングを行わず1文字毎に入力を処理する状態のことを非カノニカルモードと言います。

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エスケープシーケンスの利用例えば、以下のプログラムの各モードでの動作を見てみます。

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エスケープシーケンスの利用通常のカノニカルモードで実行すると、例え終端に指定した文字が標準入力に現れても、改行コードが入力されるまで入力が渡されません。

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エスケープシーケンスの利用一方、非カノニカルモードで同様の関数を実行すると、終端に指定した文字が入力されると瞬時に入力が確定し、それまでの値を取得することができます。

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エスケープシーケンスの利用ここで、ターミナルエミュレータが標準入力置くだけ置いていく戻り値をもう一度見てみます。すると、値の最後にアルファベットがついていることがわかります。これを終端文字に指定した上で、非カノニカルモードで値の取得を行えば、ユーザーが改行コードを入力しなくても値が利用できることがわかります。

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エスケープシーケンスの利用このモードはターミナルエミュレータではなく、ターミナルセッション毎に定義されるtermios構造体の値を変更する必要があります。 termios構造体へのアクセスはioctlシステムコールを用いて行うことが出来ますが、より高レベル(笑)なというライブラリのtcgetattr()やtcsetattr()を利用します。

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エスケープシーケンスの利用 struct構造体は、以下のようなメンバが含まれています。 tcﬂag_t 型は4Byteの変数で、その32Bitの各ビットが対応する設定のフラグになっています。

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エスケープシーケンスの利用例えばc_lﬂagの2ビット目を0にすれば、カノニカルモードから非カノニカルモードに変更することができます。

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エスケープシーケンスの利用ここではエスケープシーケンスの戻り値を利用するために利用しましたが、termios構造体には他にも非常にに多くの細かな設定が含まれています。ある程度弄れるようになると、かなり柔軟にターミナルの動きを制御できるようになります。

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Sixel Graphics

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Sixel Graphics ここまで、ターミナルエミュレータ自体にに実は豊富な機能が搭載されていることを紹介してきましたが、まだCUI の域を出ないものでした。しかし、このSixel Graphicsはそれを覆します。

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Sixel Graphics Sixel Graphicsは以下のようなエスケープシーケンスによって表される画像フォーマットです。役割シーケンス詳細 Sixel開始 \x1bPq 開始シーケンスカラーパレット(可変長) #P1;P2;P3;P4;P5 P1:番号, P2:カラーモード P3~P5: 色指定ピクセルデータ [いろんな文字] 後述

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Sixel Graphics Sixel Graphicsのピクセルデータは、以下のような図の縦に6(six)個並んだビットのパターンに対応した文字を並べることで記述します。そして、ピクセルデータ指定の前にカラーパレットに定義した番号を指定することで色を選択します。

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Sixel Graphics 結果、以下のようなシーケンスでターミナルに画像を表示することができます。 Wikipediaより引用

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Sixel Graphics Sixelで大きな画像を表現すると、こんなかんじになります。これで1つのエスケープシーケンスです！

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Sixel Graphics どうでしょうか。ターミナルで文字のみならず画像まで表示できてしまう。マウスのボタン状態も位置も取得できてしまう。今回は紹介しませんでしたが、MIDIの音階を指定して音楽を再生するシーケンスとかもある。

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Sixel Graphics これはもうユビキタスターミナルエミュレータ社会の到来も近いのでは?????

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実装例

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実装例さて皆さん、お気づきの方もいらっしゃるかもしれませんが、このスライドなにか違和感がありませんか？？

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実装例そう、皆さんが長々と見せられてきたこのスライドの画面、実はターミナルエミュレータの画面なのです！

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実装例このソフトウェアには、ざっくり次の機能があります。機能実装指定ディレクトリのビットマップ画像を表示 Sixel Graphics 自動表示サイズフィッティング CSI 14;;tによるサイズ取得, termiosによる非カノニカルモードキャッシュによる読み込みの高速化普通に書いたキーボード操作の受付 termiosによるエコー非有効化非カノニカルモード

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実装例ちょっと時間が足りなかったので実装が間に合いませんでしたが、本当はマウスによる画面操作まで実装するつもりでした。

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実装例本当はソースコードを示して実装の詳細を示そうと思ったのですが、スライドがすでに 84ページに達しているため、見たい人は GitHubで好きに見てください。 https://github.com/strvworks/slide-sixel

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まとめ

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まとめさて、長々とお話しましたが、普段触っている(?)ターミナルが本当に多くの機能を搭載してることを実感していただけたでしょうか。

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まとめ今回紹介できた機能はこれでも本当にごく一部です。もし興味を持ってくださった方がいたら、こちらの楽しい楽しいCUIアプリケーション(笑)の世界に飛び込んできませんか？

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参考ページ Sixel: https://www.vt100.net/docs/vt3xx-gp/chapter14.html xterm control sequence: https://invisible-island.net/xterm/ctlseqs/ctlseqs.pdf termios: https://linuxjm.osdn.jp/html/LDP_man-pages/man3/termios.3.html