多彩的终端

终端，现在也叫命令行。但在历史上，确实有一种设备叫终端。其中最为著名的，可能就是 vt100 系列了。我们现在能看到的 terminal 软件都是终端设备的模拟器。虽说终端设备已经作古，但终端的通信控制协议依然有效。我们可以在命令行下显示粗体、斜体、下划线字符，也可以显示不同的颜色，甚至还能显示简单的动画，这些功能依然使用几十年前终端设备通信协议。今天就给大家说说这种协议。

不过在开始之前你得先准备好一个支持 24-bit 真彩色的终端模拟软件，我在 mac 下用的是 iTerm。

学过编程的同学对转义一定不会陌生。转义可以理解成转换含义。比如，编程语言中一般用 "\n" 表示 0x0a 换行符。\ 和 n 都是普通字符，但组合到一起却表示另外一个字符，这就是转义。这里的 \ 就是转义字符。终端也使用一套转义规则，这种规则后来被标准化为 ANSI Escape Sequences。

终端使用 ESC 也就是 0x1b 作为转义字符。为开头，紧接着是一个字节，取值范围是 @A–Z[\]^_。不同的字母表示不同的含义，其中 0x1b[，叫作 Control Sequence Introducer，简写为 CSI。其他的基本都是用来控制终端设备的，现在很少用到了。为行文方便，我们统称转义序列为指令。以 CSI 开头的指令有很多，大致可分四类：光标移动指令、清屏指令、字符渲染(Graphic Rendition)指令和终端控制指令。我们只说前三类。

光标移动指令

• CSI n A 表示将光标向上移动 n 行，如 0x1b[1A 表示向上移动一行。
• CSI n B 表示将光标向下移动 n 行，如 0x1b[1B 表示向上移动一行。
• CSI n C 表示将光标向前移动 n 列，如 0x1b[1C 表示向前移动一列。
• CSI n D 表示将光标向后移动 n 列，如 0x1b[1D 表示向后移动一列。

清屏指令

• CSI n J 表示清空屏幕
  • n = 0 清空光标以下区域
  • n = 1 清空光标以上区域
  • n = 2 清空全部区域
• CSI n K 表示清空光标所在行
  • n = 0 清空光标到行尾的内容
  • n = 1 清空光标到行首的内容
  • n = 2 清空全部区域

牛刀小试

了解了光标移动指令和清屏指令，我们就可以做点有意思的事情了。

首先在终端上打印 abcd 四个字母，然后控制光标逆时针移动。

Go 代码如下：

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func main() {
  fmt.Print(
    "\x1b[8C", // 向前移动 8 列，跑到屏幕中间
    "ab",      // 打印 ab
    "\x1b[1B", // 向下移动 1 行
    "\x1b[2D", // 后退 2 列，使光标移动到 a 下面
    "cd",      // 打印 cd
    "\x1b[1D", // 后退 1 列
  )

  for {
    fmt.Print("\x1b[1D") // 后退 1 列，移动到 c 上
    time.Sleep(200 * time.Millisecond)
    fmt.Print("\x1b[1A") // 上移 1 行，移动到 a 上
    time.Sleep(200 * time.Millisecond)
    fmt.Print("\x1b[1C") // 前进 1 列，移动到 b 上
    time.Sleep(200 * time.Millisecond)
    fmt.Print("\x1b[1B") // 下移 1 行，移动到 d 上
    time.Sleep(200 * time.Millisecond)
  }
}

再来一个复杂一点的进度条示例

同样是 Go 代码：

package main

import (
  "fmt"
  "strings"
  "time"
)

func main() {
  // 进度条最左边模拟旋转的 -
  s := []string{
    "-",  // 0/180 度
    "\\", //    45 度
    "|",  //    90 度
    "/",  //   135 度
  }

  for i := 0; ; i++ {
    k := i % 4  // 控制旋转角度
    l := i % 20 // 控制进度条长度

    if l == 0 {
      // 如果进度条超过长度则清空进度条重新绘制
      fmt.Print("\x1b[2K")
    }

    bar := strings.Repeat("=", l) + ">"

    // 进度条一共有 l + 1 + 1 个字符
    // 光标在 > 后面，需要向后移动 l+2 列才能回到第 1 列
    // 为下次重绘做好准备
    back := fmt.Sprintf("\x1b[%dD", l+2)

    fmt.Print(
      s[k], // 绘制最左边的 -
      bar,  // 绘制进度条
      back, // 将光标移动到第 1 列
    )

    time.Sleep(200 * time.Millisecond)
  }
}

我们在终端下看到的移动效果大都是这样实现的。接下来说一下字符渲染指令。

字符渲染指令

字符渲指令全称 Select Graphic Rendition，简写为 SGR。其格式为 CSI n m，以数字开头，并以 m 结尾，n 的取值范围是 0-107。又可以分成两类，一类控制字符显示样式，另一类控制显示颜色。

控制显示样式的主要指令有：

# echo 可以使用 \e 表示 0x1b
echo -e "\e[1mbold\e[0m"
echo -e "\e[3mitalic\e[0m"
echo -e "\e[4munderline\e[0m"
# 注意，这里可以组合几种不同的效果
echo -e "\e[1;3;4mall\e[0m"

控制颜色的指令有：

最早的终端只支持 8 种颜色，分别是黑、红、绿、黄、蓝、洋红、青、白，因为数量很少，所以字符颜色直接使用 30-37 编码，背景色则使用 40-47。后来有厂商在此基础上又引入了 8 种对应亮度稍高的颜色，分别使用 90-97 和 100-107 编码。一共 16 种颜色。

随着硬件成本的不断降低，人们又生产出了可以显示 256 种颜色的终端。这次没有像 16 色那样再给 256 种颜色直接编码。而是引入了对应的 38 和 48 指令再配合扩展参数来表示 256 颜色。字符颜色：0x1b[38;5;<n>m，背景颜色：0x1b[48;5;<n>m，其中：

• n 取 0-7 时表示原来的 30-37 标准色
• n 取 8-15 时表示原来的 90-97 高亮标准色
• n 取 16-231 时表示 216 种颜色，计算公式为：16 + 36 × r + 6 × g + b (0 ≤ r, g, b ≤ 5)
• n 取 232-255 时表示 24 级灰度。

到现在，显卡可以显示 24-bit 真彩色了。终端指令进一步得到扩充。这次真得没法为每一种颜色直接编码了，索性直接使用颜色的 rgb 分量来表示。所以，24-bit 真彩色指令为 0x1b[38;2;<r>;<g>;<b>m，背景色对应的则是 0x1b[48;2;<r>;<g>;<b>m，这里用到了 2;<r>;<g>;<b> 扩展参数表示颜色。

最后，给出几个颜色示例：

# 使用 16 色格式编码
echo -e "\e[31mred\e[0m"
# 使用 256 色格式编码
echo -e "\e[38;5;1mred\e[0m"
# 使用 24-bit 真彩色编码
echo -e "\e[38;2;255;0;0mred\e[0m"
# 上面几个例子都会输出红色的 red

# 这是个综合性的例子，会输出
# 黄底线字，加粗、加下划线线、斜体的 red
echo -e "\e[1;3;4;38;2;255;0;0;48;2;0;255;0mred\e[0m"