代码路线:行规范、键盘接线、阻塞读、ioctl 与 Ctrl+C

行规范:一块能在 host 上单测的纯逻辑

第一步只做纯逻辑,新建 kernel/drivers/tty/tty.{hpp,cpp},不接任何内核依赖——不碰 sys_read、不碰键盘、不碰 Console。目的是这块代码能直接在 host 上链真码跑单测。

先把 UAPI 立起来。tty.hpp 照搬 Linux <asm-generic/termbits.h> 的 struct Termios(iflag/oflag/cflag/lflag/c_line + c_cc[19]),加上 c_lflag 的位常量和 c_cc 索引:

cpp

constexpr uint32_t kIsig   = 0b0000001;  // ISIG  (signal chars generate signals)
constexpr uint32_t kIcanon = 0b0000010;  // ICANON (canonical / line mode)
constexpr uint32_t kEcho   = 0b0001000;  // ECHO
constexpr uint32_t kEchoe  = 0b0010000;  // ECHOE (erase: bs space bs)
...
constexpr uint8_t kVintr   = 0;   // ^C 的 c_cc 索引
constexpr uint8_t kVerase  = 2;   // 退格
constexpr uint8_t kVeof    = 4;   // ^D

(tty.hpp:42、:49。)对齐 Linux UAPI 不是洁癖——musl/glibc 拿 TCGETS 读出来的 termios 要能直接套进它们的数据结构,布局错一位全完蛋。

这一批最关键的一个设计决定:回显和信号都解耦。TTY 类自己不直接调 kprintf(那是内核的东西)、也不直接调 signal_send(那是进程子系统的东西)。回显走注入的 callback:set_echo_sink(emit, ctx);信号走枚举:TtySignal(kNone/kSigint/kSigquit/kSigtstp),行规范检测到 ^C 只是记下「有个 SIGINT 待处理」,至于谁来投、怎么投,是上层的事。
代价是上层(console_tty)要写一层胶水接线。换来的好处是决定性的:tty.cpp 成了纯函数,host 测试框架能直接链它跑真码——退格编辑、^C 产信号、^D EOF、^U 清行、raw 模式直通,九个 case 一字不差地验。要是不解耦,就得在 host 里 mock 掉 kprintf 和 signal_send,那是另一坨坑。这个「纯逻辑 + 注入式解耦」的套路,以后接键盘、终端类逻辑都该照。

行规范状态机的核心是 input_char,ICANON 下逐字节喂:

cpp

InputResult TTY::input_char(char c) {
    if (termios_.c_lflag & kIsig) {           // ISIG:^C/^\^Z 直接产信号,不进缓冲
        if ((uint8_t)c == termios_.c_cc[kVintr]) { pending_signal_ = kSigint;  return kSignal; }
        if ((uint8_t)c == termios_.c_cc[kVquit]) { pending_signal_ = kSigquit; return kSignal; }
        if ((uint8_t)c == termios_.c_cc[kVsusp]) { pending_signal_ = kSigtstp; return kSignal; }
    }
    if (termios_.c_lflag & kIcanon) {         // ICANON:攒一行
        if (c == '\n') { commit_line(); ...; return kLineReady; }   // 回车提交整行
        if ((uint8_t)c == termios_.c_cc[kVeof]) {                    // ^D
            if (line_len_ == 0) { eof_pending_ = true; return kEof; } // 空行 → EOF
            commit_line(); return kLineReady;                         // 非空 → 提交(无尾换行)
        }
        if ((uint8_t)c == termios_.c_cc[kVerase]) {                   // 退格
            if (line_len_ > 0) { line_len_--; /* ECHOE: \b 空格 \b 三连显 */ }
            return kConsumed;
        }
        ...
    }
}

(tty.cpp:80。)几条规则读着自然,但每条都有讲究:^C 在 ISIG 开时根本不进 line_buf_,直接产信号(不然你打断程序的那下 ^C 会混进输入);^D 在空行才是 EOF,在非空行是「提交已缓冲内容但不带尾随换行」(这是 ^D 提交的语义,跟回车不同);退格走 ECHOE 三连显 \b 空格 \b(退一格、用空格抹掉原字符、再退一格),光标才正确回到原位。非 ICANON(raw)模式则每字节直通,不做任何加工。

接上键盘和回显

纯逻辑就位,第二步把它接到真实的键盘 IRQ。新建 kernel/drivers/tty/console_tty.{hpp,cpp}:系统一个 console TTY 单例,键盘当输入源,回显走和 stdout 同一个 sink。

接线有两处,各有一个坑值得记。

坑一:回显 sink 必须是 lock-free 的。 注入的 echo sink 指向 kprintf。为什么是 kprintf 不能是别的?因为键盘回调跑在 IRQ 上下文,在 IRQ 里调一个拿锁的打印会死锁(锁的持有者可能正被这个 IRQ 打断)。kprintf 是逐字符走 Serial::putc、无锁的,正好能用——代价最多是并发时偶发一个瞬时光标错位,不致命。

坑二:设备层发的字节,跟 UAPI 默认值对不上。 termios 默认的 VERASE(退格键)是 DEL(0x7F),可键盘驱动对 Backspace 键发的是 ^H(0x08)。两个约定不一致,你按退格根本不触发编辑——行规范等的是 DEL,等不到。console_tty_init() 里显式把 VERASE 改成 0x08 对齐键盘:

这种「UAPI 默认值 vs 实际硬件字节」的错配,不主动接缝就踩。默认值是标准定的,硬件发什么是驱动定的,两边没人为对方负责,接缝处(初始化时)得有人显式对齐。这种坑不会报错,只会「按了没反应」,debug 起来特别费劲——记住这个模式:设备接进来时,主动核对它发的字节跟 UAPI 默认值吻不吻合。

键盘那边,dispatch_key 在「按键按下 + ascii 非零」时喂一个字节给行规范(kernel/drivers/keyboard/keyboard.cpp:328),回车 \r 转成 \n(keyboard.cpp:327)。这一步行规范还没接阻塞读——sys_read 对 fd==0 还是先留着忙等兜底,一步一步接,先把「键盘 → 行规范 → 回显」这条链跑通。

阻塞读:CPU 不再空转,EOF 是状态不是事件

第三步干掉那个忙等,真正让 shell 等 stdin 时 CPU 不空转——同时把 ^D 的 EOF 接通。这是这一步的核心价值,顺手修掉「musl 把忙等超时的返回 0 误当 EOF」那个硬伤。

先说 EOF。^D 在空行该让 read 返回 0(EOF),可「暂时没行」时 read 也返回 0(意思是「该阻塞」)——两个语义撞在同一个返回值上。要是不分开,^D 按一下,read 返 0,以后每次 read 都返 0(假 EOF),程序直接结束。解法是把 EOF 当状态而不是事件:一个 eof_pending_ 标志,take_eof() 消费一次就清零——保证 EOF 只交付一次,跟「暂时没行」泾渭分明。

再说阻塞读。ConsoleTty::read 长这样:

cpp

size_t ConsoleTty::read(char* buf, size_t len) {
    auto* self = Scheduler::current();
    for (;;) {
        {
            InterruptGuard guard;                   // 关中断
            size_t n = tty_.read_cooked(buf, len);  // 有行?直接返
            if (n > 0) return n;
            if (tty_.take_eof()) return 0;          // ^D 空行 → EOF
            reader_ = self;
            Scheduler::prepare_to_wait(self);       // 标记将要阻塞
        }                                            // 出 guard 前恢复中断
        Scheduler::schedule_blocked();              // 切走,被唤醒后循环再读
    }
}

(console_tty.cpp:41。)do_read_kernel(kernel-to-kernel 那一层)对 fd==0 调它(sys_read.cpp:91),忙等删掉,CPU 不再空转。SMAP 分层之后,fd==0 的阻塞读在 do_read_kernel 里写 kernel staging buffer,sys_read 只负责把字节 copy_to_user——阻塞不跨 stac 窗口。

这里那个 InterruptGuard + prepare_to_wait 的顺序是早先立的防丢失唤醒铁律。「检查有没有行、登记自己是读者、标记 Blocked」这三步必须在关中断下原子完成。不然有个要命的窗口:检查时没行 → 还没登记自己 → 键盘正好来了行 → feeder 找不到读者(还没登记)→ 我登记完了睡下 → 唤醒永远不来。关中断把这三步缝死,feeder 要么在我检查之前来(我看到行),要么在我睡下之后来(它叫得醒我),没有中间态。这套 prepare_to_wait/schedule_blocked 是 CinuxOS 已验证的标准缝,pipe、waitpid 都用它。
一个 SMP 的边界得诚实交代:reader_ 是单读者指针(假设 shell 是 stdin 唯一的读者),单 CPU 下关中断就是竞态自由;可跨 CPU 时,两个核同时动 reader_ 没有锁保护。测试不读 console stdin,所以 -smp 2 下不回归,但这是个已知的 follow-up——真要支持多读者 stdin,得加 Mutex 风格的 spinlock。console TTY 单读者的假设在当前(一个 shell)下成立,记着这层。

ioctl:答上 musl/glibc 的探针

行规范通了,可 ioctl 还是那个返 -ENOTTY 的桩。问题在:musl/glibc 一写 stdout 就拿它探 TIOCGWINSZ(终端多大),探失败退回全缓冲,printf 攒够一桶才 flush。TCGETS/TCSETS(读写 termios)也是 raw 模式、信号字符配置的前置。第四步把这些接成真命令。

per-request 逻辑住在一个共享的 console_tty_ioctl(console_tty.cpp:148,一个 switch(request) 分派);sys_ioctl 本身只做 fd-table 分派——先查已安装的 File 走它的 inode->ops->ioctl(这样 GUI shell 的 PTY slave fds 才不会误走 console),没 fd-table 项的 legacy 0/1/2 才 fallback 到 console_tty_ioctl:

TCGETS / TCSETS:读写 console TTY 的 termios(ct.tty().termios() / set_termios())。
TIOCGWINSZ:返窗口尺寸,固定 80×25。
只有 fd 0/1/2(stdin/stdout/stderr,都背靠 console TTY)才答;别的 fd 返 -ENOTTY;未知 cmd 也 -ENOTTY。

每一命令的用户缓冲访问都走 061 那套 copy_to_user/copy_from_user(带 exception table 的 accessor):

cpp

case kTcgets: {
    const Termios& tm = ct.tty().termios();                 // 直接取 const&,不是 fill 进传入的 tm
    if (!copy_to_user(uptr, &tm, sizeof(Termios))) return cinux::lib::Error::Fault;  // 坏指针 → EFAULT 不 panic
    return 0;
}

这里把返回值压成 Error::Fault 为可读性——console_tty_ioctl 本身返回 ErrorOr<int64_t>,坏用户指针写的就是 cinux::lib::Error::Fault(console_tty.cpp:152);到了 sys_ioctl 的 fallback adapter 才 to_errno 成 -EFAULT。

(console_tty.cpp:148。)这里正好用上 061 的成果——用户传个未映射的地址进来,accessor 的 rep movsb fault,exception table 拦下,返 -EFAULT,而不是把内核炸了。测试里专门有一条拿 0x7000000000(那个落用户半区但谁都没映射过的地址)探 TCGETS,期望就是 -EFAULT。

为什么 winsize 固定 80×25 不取真几何?因为 Console 现在是 main.cpp 里的局部变量,syscall 层够不着它,拿不到 framebuffer 的真实尺寸。这是个待解的结(全局化 Console,或者等 DevFS 给 fd 一个真设备身份),暂时固定 80×25 够用——musl 要的只是「探成功了、别退全缓冲」,尺寸是多少不那么要紧。

Ctrl+C 接成真信号

最后一步把 ^C/^\/^Z 接成真信号投递。之前 console_tty_input 只在 kLineReady/kEof 时唤醒读者,不处理 kSignal——所以行规范已经认出了 ^C(记了 pending_signal_),却没人来取,按 Ctrl+C 没反应。第五步补上这条线。

ConsoleTty::input 拿到 kSignal 后(console_tty.cpp:93):先 take_signal() 消费掉(对齐 take_eof,一次性),映射成 POSIX 信号(interrupt→SIGINT / quit→SIGQUIT / suspend→SIGTSTP),再 killpg(foreground_pgid, sig) 投给前台进程组。前台组没设(==0)就回退到阻塞读者的组(shell)。

cpp

if (r == InputResult::kSignal) {
    TtySignal ts = tty_.take_signal();
    Signal sig = ...;  // kSigint / kSigquit / kSigtstp
    int pgid = foreground_pgid_;
    if (pgid == 0 && reader_ != nullptr) pgid = reader_->pgid;  // 没前台组 → 回退读者组
    if (pgid != 0) killpg(pgid, sig);
    return;
}

(console_tty.cpp:90。)killpg 内部的注册表锁用 irq_guard(IRQ-safe),所以从键盘 IRQ 上下文调它安全——嵌套 cli 无害。配套的 TIOCGPGRP/TIOCSPGRP 也在 console_tty_ioctl 里读写 foreground_pgid,让 shell 能设前台组(完整 job control 的一环)。

这一步还顺带把 console_tty 从 C 风格收进了 ConsoleTty 类。之前它是全局 static 变量 + 一堆自由函数;行规范那几批还能凑合,到加 foreground_pgid 这种「跨方法共享的可变状态」时,全局 static 就开始别扭了。判断信号很简单:全局 static 里有超过一个可变字段、且跨多个自由函数共享,就该类化。(对比键盘/鼠标驱动,它们是无状态/单值工具,全 static 合理。)收进类之后,reader_/foreground_pgid_/tty_ 都成了成员,caller 从自由函数调用改成方法调用。

代码路线:行规范、键盘接线、阻塞读、ioctl 与 Ctrl+C ​

行规范:一块能在 host 上单测的纯逻辑 ​

接上键盘和回显 ​

阻塞读:CPU 不再空转,EOF 是状态不是事件 ​