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Linux内核如何输出中文字符的方法示例

你在Windows/MacOS的登录Linux的SSH终端上很容易输入中文并且获得中文输出,比如下面这样:

但是却几乎不可能将中文显示在Linux自身的 虚拟终端 上:

[root@localhost font]# echo 皮鞋 >/dev/tty2

显示了两个问号,显然Linux内核并不能识别中文。

为什么说是Linux内核不能识别中文呢?这里需要理清一个关系:

  • 你在远程SSH终端上的输入和显示输出的行为,都是SSH终端的宿主机完成的,比如Windows,MacOS,和Linux无关。
  • 你在Linux本地虚拟终端,比如/dev/tty1上的输入和显示输出行为,则是由Linux内核自己处理的。

比如,我在MacOS用iTerm SSH连接到了一个远程CentOS Linux,iTerm上的所有的键盘输入,显示器输出行为都是iTerm的这台MacOS宿主机完成的。

相反,如果你直接在这台CentOS Linux的虚拟终端上输入并且企图获得输出,那么这个输入输出则必须由Linux内核自身来处理。

基本上就这些。至于说为什么Linux内核不支持中文,那要了解Linux内核处理虚拟终端输入输出时是如何对待unicode的逻辑,这要涉及一大堆的理论知识,非常烦人。

反正我这里就是无法输出中文,我也不是做这个的,显然这不是一个必然要完成的工作任务,所以,我只是玩玩。

本文的目标就是要让Linux的虚拟终端可以输出中文。

仅仅是输出中文,哪怕是一个中文汉字也好。具体来讲,就是 当我在键盘敲入’A’字符时,显示器回显出来的是一个汉字。

所以说,本文并不打算 让Linux内核大规模完备地支持中文 ,这种事已经有很多人和社区做了,但是可玩性并不高,毕竟这种事是可以当私活儿赚钱的,只要是赚钱的活儿,可玩性就不高,因为要快嘛。

不需要懂冗长枯燥的unicode编码,不需要懂枯燥的font字体格式,看看怎么玩。

先展示效果吧,下面是一个8×168\times 168×16的点阵例子:

不是很好看,于是就做了下面一个28×1628\times 1628×16的点阵:

下面说一下这是如何实现的。

从你敲键盘的某个按键开始,到某个字符最终显示在虚拟终端的显示器上,这期间其实有两个映射:

键盘和字符集的映射

将某个按键事件转换为某个字符集里的某个码,比如当按下’A’键时,将其映射到0x41。

字符集和字体的映射

将某个字符集的码字映射到某个点阵用来显示。比如将0x41映射到能让人看出来是一个字符’A’的样子的8×168\times 168×16点阵。

Linux的console并不能识别超过0x00ff的字符集码字,因此就不能处理码字超过0x00ff的unicode,如果希望它能做到,这就要改内核代码了。

刚才说了,修改内核代码大规模全面支持中文,这是可以赚钱的事,不但没意思,也没人会分享。

所以我尝试去修改上面的两个映射来解决问题。由于只是显示,所以我不会去修改 键盘和字符集的映射 ,因为那样仍然会碰到字符集码字超过0x00ff的处理问题。

这意味着要想显示中文,只剩下一条路,那就是修改 字符集和字体的映射

这个映射肯定是保存在内核内存或者文件系统的某个地方。我可以在当前内核的config文件里找到如下的信息:

[root@localhost font]# cat /boot/config-3.10.0-862.11.6.el7.x86_64 |grep FONT
# CONFIG_FONTS is not set
CONFIG_FONT_8x8=y
CONFIG_FONT_8x16=y

再去看/proc/kallsyms里有什么:

[root@localhost font]# cat /proc/kallsyms |grep font.*8x
ffffffffb006a3e0 R font_vga_8x8
ffffffffb006a420 r fontdata_8x8
ffffffffb006ac20 R font_vga_8x16
ffffffffb006ac60 r fontdata_8x16
ffffffffb0307a10 r __ksymtab_font_vga_8x16
ffffffffb03234b8 r __kcrctab_font_vga_8x16
ffffffffb034246e r __kstrtab_font_vga_8x16

嗯,这就是内核里保存的字体:

[root@localhost rh]# ll ./drivers/video/console/font_8x*
-rw-r--r--. 1 root root 95976 Sep 17 2018 ./drivers/video/console/font_8x16.c
-rw-r--r--. 1 root root 50858 Sep 17 2018 ./drivers/video/console/font_8x8.c

这里不再分析这两个文件。这里仅仅是确认了一个事实, 内核在初始化的时候会使用自己的字体 ,这个时候毕竟除了内核本身,什么都没有。

问题是到了用户态,这个字体是可以被改变的,可以被改的花里胡哨的,这些个字体可不是仅仅两个8×8和8×16就能hold住的…

这个时候就需要找我们安装在发行版里面的字体文件了。我们要找到它,然后改掉里面的某个字体的形状,将其变成中文!就这么简单。

不必去搜这个字体文件安装保存在什么地方,通过执行strace setfont命令就能找到它。

[root@localhost ~]# strace -F -e trace=open setfont
...
strace: Process 6276 attached
[pid 6276] open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 4
...
[pid 6276] open("/lib/kbd/consolefonts/default8x16.psfu.gz", O_RDONLY|O_NOCTTY|O_NONBLOCK) = 4
[pid 6276] +++ exited with 0 +++
--- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=6276, si_uid=0, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
+++ exited with 0 +++

就是它了, /lib/kbd/consolefonts/default8x16.psfu.gz

也不必去搜psfu格式的字体的format,通过模式识别就能找到特定的字符。

我准备先找到 ‘A’,然后把它后面的’B’和’C’改成我的名字“赵”和“亚”。

首先我要把“赵”和“亚”字做出来,形成一个点阵。以下是我的作品“赵”:

00000000
00000000
00100000
11111000
00100101 
00100101
11111010
00100011 
00111010 
01100101 
01100000
10011000
10000111
00000000
00000000
00000000

下面就要用这个点阵替换’B’的点阵,同时制作一个“亚”字,替换’C’的点阵,

在下面的站点可以找到该default font的对应点阵图解: https://www.zap.org.au/software/fonts/console-fonts-distributed/psftx-centos-7.5/default8x16.psfu.large.pdf

我们就可以得到该’A’字符的点阵数组,然后在default8x16.psfu文件里匹配这个数组就可以了。代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <string.h>

unsigned char zhaoya[32] = {
			// 第一行为“赵”
			0x00, 0x00, 0x20, 0xf8, 0x25, 0x25, 0xfa, 0x23, 0x3a, 0x65, 0x60, 0x98, 0x87, 0x00, 0x00, 0x00,
			// 第二行为亚
			0x00, 0x00, 0x00, 0x7e, 0x24, 0x24, 0x24, 0xa5, 0xa5, 0x66, 0x24, 0x24, 0x7e, 0x00, 0x00, 0x00
};


int main(int argc, char **argv)
{
	int i = 0;
	unsigned char buf[16];
	off_t offset = 0;
	int s = 0;

	int fd = open("default8x16.psfu", O_RDWR);
	i = pread(fd, buf, 8, offset);
	while (1) {
		i = pread(fd, buf, 16, offset);
		if (s == 2) { // 替换'C'
			memcpy (buf, &zhaoya[16], 16);
			i = pwrite(fd, buf, 16, offset);
			break;
		}
		if (s == 1) { // 替换'B'
			memcpy (buf, &zhaoya[0], 16);
			pwrite(fd, buf, 16, offset);
			s = 2;
		}
		// 简易的方法识别到'A'
		if (buf[0] == 0x00 && buf[1] == 0x00 &&
			buf[2] == 0x10 && buf[3] == 0x38) {
			printf("A found at %d !\n", offset);
			s = 1;
		}
		offset += 16;
	}
}

直接编译执行,然后将这个default8x16.psfu作为参数set到内核即可:

[root@localhost font]# setfont ./default8x16.psfu

此时进入Linux的虚拟终端tty2,当敲键盘的大写’B’时,就会出现一个“赵”字。

虽然16×816\times 816×8甚至8×88\times 88×8也能做出复杂的中文点阵,但是这也太难看了。

于是我要找一个更高分辨率的font。我在Ubuntu上找到了一个高分辨率的28×1628\times 1628×16点阵 Arabic-VGA28x16.psf.gz 。修改它的方法和前面这个完全一样,它的点阵图如下: https://www.zap.org.au/software/fonts/console-fonts-distributed/psftx-debian-9.4/Lat7-VGA28x16.psf.pdf

我不需要自己做28×1628\times 1628×16的点阵了,我只要用GNU uifont的现成的即可。直接在 unifont_sample-12.1.01.hex 里面按照“赵”和“亚”的unicode码字就能索引到点阵。关于任意字符的unicode码字的查询,可以参见: https://graphemica.com/

替换font的代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include "zhao"

#define L	28*2
int fd;

int main(int argc, char **argv)
{
	unsigned char buf[L];
	off_t offset = 0;
	// 这个0x0e60 就是模式匹配获得的偏移。
	offset += 0x0e60;

	fd = open("Lat7-VGA28x16.psf", O_RDWR);
	pread(fd, buf, L, offset);
	memset(buf, 0, L);
	memcpy(buf+8, &code[0], 32);
	pwrite(fd, buf, L, offset);

	offset += L;
	pread(fd, buf, L, offset);
	memset(buf, 0, L);
	memcpy(buf+8, &code[32], 32);
	pwrite(fd, buf, L, offset);

	offset += L;
	pread(fd, buf, L, offset);
	memset(buf, 0, L);
	memcpy(buf+8, &code[64], 32);
	pwrite(fd, buf, L, offset);
}

然后它的效果就是:

还不错。

其实本文的内容仅仅就是:

  1. 做一个蹩脚的点阵;
  2. keyboard,ascii/unicode,font之间的映射关系;
  3. 什么细节都不懂的情况下定位分析问题的方法;
  4. 越简单越好,越复杂越糟糕。

嗯,其实第三点和第四点是最重要的。

最后,如果你想知道你当前的虚拟终端支持那些字体,输入:

[root@localhost font]# showconsolefont

就会显示:

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助。

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