Lab 007 · PTY 验证

对应 document/book/07-userland/007/。验证档 A 档:这一章交付的是 Linux PTY ABI(/dev/ptmx 克隆 + /dev/pts/N + master/slave + TIOCSCTTY)。可「真用户程序跑在 PTY 里」的全闭环要 dup2 + 真 shell,留 CFBox——这一章的验证靠 host 纯逻辑单测 + 内核设备测 + boot 冒烟,辅以改公共头 inode.hpp 的回归网。

目标

确认七件事:

1. PTY 核心是纯逻辑四数据路径(master 写/读 + slave 读/写),host 单测 10 例;
2. slave 复用 005 的 TTY 行规范(不重写),回显经 echo sink 路由回 master 读侧;
3. InodeOps 加了 ioctl/open 两个 virtual(对齐 Linux fops),默认 ioctl→NotImplemented→ENOTTY;
4. sys_ioctl 对 fd>2 走 inode 派发(fd≤2 console 零变);
5. /dev/ptmx 克隆 open(分配一对 PTY 返 master)+ /dev/pts/N 动态查找;
6. TIOCSCTTY 挂控制终端 + /dev/tty 别名;
7. boot 真加载 PTY 节点:make run 见 [DEVFS] mounted ... (4 nodes)(多一个 ptmx)。

步骤

1. host 单测:PTY 纯逻辑

./build/test/test_pty

应看到 pty tests OK (10 cases)。十例罩的是 Pty 类四数据路径:canonical 行 round-trip(master "hi\n" → slave 读 "hi\n")、本地回显(master 写后 master_read 看到)、slave 输出 → master、^C → pending SIGINT、raw 模式、退格编辑、空行 ^D EOF、行内 ^D 提交、满环 partial write、双实例不串扰。这层能 host 单测是因为 pty.cpp 纯逻辑(只依赖同样纯逻辑的 TTY)。

2. PTY 核心:四数据路径

sed -n '47,70p' kernel/drivers/tty/pty.hpp

应看到 class Pty 的四个方法:master_write(每字节喂 slave TTY::input_char)、master_read(排 master 读环)、slave_read(排 TTY::read_cooked)、slave_write(push master 读环)。文件头注释会画那张四路径表。注意 slave 持一个复用的 TTY(005 那块行规范),PTY 的终端感全来自它——不重写。

3. 两条新接缝:InodeOps::ioctl / open

sed -n '68,80p' kernel/fs/inode.hpp

应看到 InodeOps 加了两个 virtual:ioctl(inode, request, arg)(默认 NotImplemented,注释说 sys_ioctl 特判 → ENOTTY)、open(inode)(默认返原 inode,PTY 的 /dev/ptmx override 成克隆)。这是对齐 Linux fops(unlocked_ioctl/open 克隆)的两条缝。

4. sys_ioctl fd>2 走 inode 派发

sed -n '130,145p' kernel/syscall/sys_ioctl.cpp

应看到 fd≤2 走 console_ioctl(行为零变),fd>2 走 current_fd_table().get(fd) → file->inode->ops->ioctl(...),失败时 NotImplemented → -ENOTTY(特判,不是 ENOSYS),无 File 也 -ENOTTY(保 test_sys_ioctl_non_tty_fd_enotty 契约)。

5. /dev/ptmx 克隆 + /dev/pts/N

sed -n '211,240p' kernel/drivers/tty/pty_device.cpp

应看到 PtmxOps : public InodeOps,open override 调 pty_alloc()(找空槽)+ wire_slot()(把 master/slave inode 的 ops 指向共享 ops、fs_private = &slot.pty)+ 返 g_slots[idx].master_inode。这是 Linux /dev/ptmx 克隆范式。/dev/pts/N 看 DevFs 的动态查找:

grep -n "set_dynamic_lookup\|pts/\|pty_slave_inode" kernel/fs/devfs_init.cpp kernel/drivers/tty/pty_device.cpp | head

应看到 DevFs 的 set_dynamic_lookup 回调(resolver 解析 pts/<N> → pty_slave_inode(N))。DevFs 自己不认 PTY(保持 host 可测);PTY 装配只在 kernel-only 的 devfs_init.cpp。

再看注册表:

sed -n '38,52p' kernel/drivers/tty/pty_device.cpp

应看到 kPtyInoBase = 0x1000(inode 号编码 pty 索引,ino = base + index,TIOCGPTN 返 ino - base)+ PtySlot g_slots[kMaxPtys](8 槽固定表,inline 拥有 Pty + master/slave Inode)。

6. TIOCSCTTY + /dev/tty(控制终端)

grep -n "TIOCSCTTY\|controlling_tty\|kTiocsctty\|/dev/tty" kernel/drivers/tty/pty_device.cpp kernel/fs/devfs_init.cpp | head

应看到 TIOCSCTTY 的 slave inode ioctl override(设 Task::controlling_tty)+ /dev/tty 的 dynamic lookup(返当前 task 的 controlling_tty 对应 inode)。这把 PTY 跟 session/前台组/信号(005 那套)接通。

7. kernel 设备测 + boot 冒烟

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "pty" | head

应看到 test_pty_device 几项 PASS(alloc/slave-lookup、master↔slave round-trip、本地回显、termios 接线、未知 ioctl 拒、release 复用)+ TIOCSCTTY 两例(session leader 挂上 / 非-leader EACCES)。

boot 冒烟(test kernel 不走 devfs::init,要起真内核):

cmake --build build --target run

应看到 [DEVFS] mounted at /dev (4 nodes)——比 064(3 nodes)多一个 ptmx。

两腿汇总:

cmake --build build --target run-kernel-test-all 2>&1 | grep -E "Tests: 9[0-9][0-9] passed" | tail -1

应看到单核 + -smp 2 两腿各 986 passed, 0 failed。

验收清单

• [ ] ./build/test/test_pty 报 10 cases OK(PTY 纯逻辑四数据路径)。
• [ ] pty.hpp:47 class Pty 四方法(master_write/read + slave_read/write),slave 复用 TTY 行规范。
• [ ] inode.hpp:72 ioctl virtual(默认 NotImplemented→ENOTTY)、:79 open virtual(默认原 inode)。
• [ ] sys_ioctl.cpp:135 fd>2 走 file->inode->ops->ioctl,NotImplemented→ENOTTY;fd≤2 console 零变。
• [ ] pty_device.cpp:211 PtmxOps::open 克隆(pty_alloc + wire_slot + 返 master);:52 g_slots[kMaxPtys=8];:38 kPtyInoBase=0x1000。
• [ ] /dev/pts/N + /dev/tty 经 DevFs set_dynamic_lookup 回调(devfs_init 装,devfs.cpp 不碰 PTY)。
• [ ] make run 见 [DEVFS] mounted ... (4 nodes)(含 ptmx);两腿 986/0。

别做这些

• 别指望用户态程序真跑在 PTY 里——全闭环要 sys_dup2(把 slave 重定向成子进程 stdio,当前未实现)+ 真 session + 一个会 open("/dev/ptmx") 的 shell。这一章把 PTY 机制做全了,「真程序跑 PTY」留 CFBox。ring0 测试也不能调带 user 指针的 syscall(access_ok 拒内核址),所以纯 ring0 syscall smoke 做不了。
• 别以为 slave read 会阻塞——现在非阻塞(0 = 无数据,EOF 经 take_eof 分)。真 shell 读 stdin 要阻塞(睡等行),要 reader Task + 唤醒,留 follow-up。
• 别以为 close 会释放 PTY——现在没 close→release 钩子(槽位靠测试显式 release)。生产用要补。
• 别纠结 errno 不完全对齐 Linux——copy 失败返 EINVAL(Linux EFAULT)、TIOCSCTTY 拒绝返 EACCES(Linux EPERM)。Cinux-Base 的 Error 枚举所限(子模块边界不擅改),行为对、errno 近似,已登记。
• 别以为能开无限多 PTY——固定 8 槽(kMaxPtys)。够当前用,动态扩展留后。
• 别把 fd≤2 也当成走 inode 派发——0/1/2 是 console 特殊路径(不是真 FDTable 项),跟 fd>2 的 PTY 派发是两条路。统一它们要连带改 sys_read/sys_write,爆炸半径大,不做。