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Lab 024 · 给内核一个能对话的用户态:shell ​

配套章节:024 · 给内核一个能对话的用户态:shell。这一关给你目标和约束,不贴 shell/main.cpp 的完整主循环、不贴 tokenize 的成品实现、不贴 cmd_clear 那串转义、更不贴 sys_read 全文和 syscall.S 的出口段——那些得你自己写、自己把两颗 SYSCALL/SYSRET 路径上的雷拆出来。

实验目标 ​

023 把用户态的 hello 送进 Ring 3、让它能调 sys_write 打一行字再走人。024 要把它从一个「只会喊一句话」的程序,升级成一个能读键盘、解析命令、把命令分发到具体处理器的交互式 REPL shell。拆成几个能独立验证的子目标:

  1. 逐字符读一行:read_line 经 sys_read(0, &c, 1) 一个字符一个字符地读,边读边回显;遇到退格(0x7F 或 \b)要把上一个字符擦掉;遇到换行收尾、NUL 终止,且不把换行本身存进缓冲。
  2. 就地分词:tokenize 按空格和 Tab 把一行命令切成 token,返回 argc 和 argv,不改名、不分配,直接在原缓冲上把空白变 NUL。
  3. 数据驱动的命令表:builtin_cmds[] 是个以 {nullptr, nullptr} 哨兵结尾的 CmdEntry 数组,主循环靠它查表分发,加命令只动表和写个新 cmd_xxx。
  4. 三个内置命令:echo 把 argv[1..] 用单空格连起来加换行;help 打命令清单;clear 发 7 字节 \033[2J\033[H 清屏归位。
  5. 内核侧 sys_read:只认 fd=0,从 Keyboard::poll 取事件,把 \r 转成 \n,遇 \n 停(一次喂 shell 一整行);空缓冲时 pause 自旋等第一个字符。
  6. 把 hello 换成 shell:launch_first_user 嵌入的二进制从 _binary_hello_bin_* 换成 _binary_shell_bin_*,ELF 入口是 _start,跑完调 sys_exit(0)。

做完这几条,内核就第一次有了「能跟人对话」的用户态。但说在前面:这个 shell 没有文件系统、没有命令历史、没有管道、没有重定向——就 echo/help/clear 三个命令、一个死循环 REPL。它是把「Ring 3 → 内核 → Ring 3」这条往返路真正用起来,顺便把 GDT 重排和两处 SYSRETQ 出口修正落到代码里。

前置条件 ​

你得先过 Lab 022(usermode)和 Lab 023(syscall)。关键依赖:

  • 022 的 Ring 3 跳板:launch_first_user 会建一个用户地址空间、映射一页代码到 USER_ENTRY_BASE(0x400000)、映射 USER_STACK_PAGES 页用户栈、设置 TSS.RSP0、布置 GS base 页、然后用 jump_to_usermode 经 SYSRET 跳进 Ring 3。这一关你要把「嵌入哪段二进制」从 hello 换成 shell。
  • 023 的 SYSCALL 基础设施:syscall_init() 配 LSTAR/STAR/SFMASK、把 g_syscall_kernel_rsp 捕获好、注册 SYS_read/write/exit/yield 四个 handler;syscall_entry(在 syscall.S)负责 swapgs、换内核栈、建 trap frame、调 syscall_dispatch、恢复现场、sysretq 回 Ring 3。
  • 键盘与控制台:PIT(100 Hz)和键盘(IRQ1)已在 022/023 的 main 里 unmask 并 sti;Keyboard::poll(KeyEvent) 能从 PS/2 环形缓冲取事件;Console::putc 是串口 + 屏幕双输出的落脚点。
  • 用户态的 freestanding 头:<cstddef> / <cstdint> 可用,但没有 libstdc++、没有 malloc、没有 <string.h>——strlen/strcmp/memset/memcpy/memcmp 你要在 user/libc/string.cpp 里自己写。

还得理解一个外部约定:SYSCALL/SYSRETQ 只自动保存 RCX 和 R11(RCX 存返回 RIP、R11 存 RFLAGS),其余所有通用寄存器都靠软件保存恢复。SYSCALL 入口栈帧里那一堆 pushq 就是为了把 RBX/RBP/R9..RDI 全压下来,出口再全部恢复。这条约定是这一关第二颗雷的根因——别拿 callee-saved 的 RBX 当 scratch。

任务分解 ​

第一步:用户态字符串与 libc(user/libc/string.{hpp,cpp})。 先把地基铺好:cinux::user::strlen/strcmp/memset/memcpy/memcmp,全部 freestanding、逐字节循环。strcmp 返回首个不同字节的差(相等返 0);memset/memcpy/memcmp 处理 n=0 边界、返回 dest。想清楚为什么 shell 一定要这一层——cmd_echo 要 strlen(argv[i]) 才知道写多少字节、main 里查表要 strcmp(argv[0], name)。没有它,你连「echo」这个词都比不了。

第二步:read_line——逐字符读 + 回显 + 退格。 签名 size_t read_line(char* buf, size_t cap)。循环里每次 sys_read(0, &c, 1) 读一个字符(返回值 <= 0 就 continue,别崩)。三种字符分支:换行 \n 先 write_buf("\n", 1) 回显个回车再 break(注意不把 \n 写进 buf);退格(0x7F 或 \b)在 pos > 0 时 --pos 然后 write_buf("\b \b", 3)——这三字节是「光标左移一格、用空格盖掉旧字符、再左移回来」,少发一个屏幕上都擦不干净;普通字符先 write_buf(&c, 1) 回显、再 buf[pos++] = c。循环条件 pos < cap - 1 给末尾的 NUL 留一位,出口 buf[pos] = '\0'、返回 pos。想清楚为什么逐字符读而不是一次读一行:内核侧 sys_read 现在只会在收到 \n 时才返回一整行,但 shell 必须在每个字符到达时就回显——所以你只能一字一读。

第三步:tokenize——就地切割。 签名 size_t tokenize(char* line, char** argv, size_t max_tokens),返回 argc。逻辑:外层 while (*line != '\0' && argc < max_tokens),内层先跳前导空格和 Tab、跳完若已到末尾就 break;记下 argv[argc++] = line(指向当前 token 起点);再往前走直到遇空白或末尾;若停在空白字符上,就就地把它写成 NUL 再 ++line。想清楚两个点:(a) 为什么不 malloc——shell 是 freestanding、没有堆,token 指针只能指向原缓冲内部的地址;(b) 为什么要 max_tokens 截断——argv 数组是定长的(MAX_TOKENS = 16),用户乱敲一长串命令不能让它越界。

第四步:CmdEntry 哨兵表 + 三个命令。 在 shell.hpp 定义:

text
struct CmdEntry {
    const char* name;
    void (*handler)(int argc, char** argv);
};

cmd_echo(int argc, char** argv):从 i = 1 起,每个参数之间补一个单空格(i > 1 时先 sys_write(1, " ", 1)),用 write_str(argv[i]) 输出,最后补一个 \n。cmd_help 打三行命令清单(固定字符串)。cmd_clear 只有一句:sys_write(1, "\033[2J\033[H", 7)——7 字节,ESC[2J 全屏擦除、ESC[H 光标归位。主循环里 builtin_cmds[] 就是 {"echo", cmd_echo}, {"help", cmd_help}, {"clear", cmd_clear}, {nullptr, nullptr},遍历到 name == nullptr 停;命中就调 handler(argc, argv) 并 break,全没命中就打「command not found」。这一关的 shell 只有这三个命令;别照着 Linux 的 shell 脑补 cat/ls/cd/重定向——那些要等文件系统(025 以后)。

第五步:内核侧 sys_read(kernel/syscall/sys_read.cpp,全新)。 签名照 SyscallFn:int64_t sys_read(uint64_t fd, uint64_t buf_virt, uint64_t count, uint64_t, uint64_t, uint64_t)。入口两道守卫:buf_virt >= 0x800000000000(用户地址上限)返回 -1;fd != 0 返回 -1(只认 stdin)。主体是个 while (read_bytes < count) 循环:先 Keyboard::poll(ev) 取事件,取不到时——若已经有数据(read_bytes > 0)就 break 把已读的返回,否则 pause 自旋等 SPIN_WAIT_ITERS(常量)次直到取到第一个字符。取到的事件只收 pressed && ascii != 0 的;把 '\r' 转成 '\n';写进缓冲;遇 '\n' 立即 break(保证一次给 shell 一整行)。想清楚为什么只认 fd=0:这一关没有文件系统、没有别的 fd;为什么自旋而不阻塞:024 还是单任务、没有可阻塞唤醒的调度路径(阻塞唤醒是 021 的能力,但 shell 这条路不接它),pause 自旋是最朴素的「等键盘」。

第六步:把 hello 换成 shell。 023 的 launch_first_user 嵌的是 _binary_hello_bin_*;024 把这两个 extern 符号、以及拷贝循环用的 _end - _start 换成 _binary_shell_bin_*。二进制怎么来:user/CMakeLists.txt 用 add_executable(user_shell ...) 编 main.cpp + 三个 cmd_*.cpp、链 user_libc、objcopy -O binary 剥成 shell.bin、再用 ld -r -b binary 包成 user_binary.o(产生 _binary_shell_bin_start/_end 符号),内核链接时吃进去。main.cpp 里那一行 [BIG] ===== Milestone 023 ===== 是遗留字符串、本关没改它,别被它误导——真正说明「跑到 shell」的是串口里冒出的 Cinux shell - type 'help' for commands。

第七步(顺带、必做):GDT 重排 + STAR 改 0x23。 这一步的动机不在 shell 逻辑本身,而是让 SYSRETQ 这条回路在 QEMU 上不炸。把 GDT 从「5 段 + TSS」重排成 9 项:NULL、TLS 占位(idx1)、KernelCode(0x10)、KernelData(0x18)、User32Code(0x20)、UserData(0x28)、User64Code(0x30)、TSS(0x38,两槽)。选择子常量:GDT_KERNEL_CODE=0x10、GDT_KERNEL_DATA=0x18、GDT_USER_CODE=0x33、GDT_USER_DATA=0x2B、GDT_TSS=0x38,新增 GDT_SYSRET_BASE=0x23。syscall_init 里 STAR = (GDT_SYSRET_BASE << 48) | (GDT_KERNEL_CODE << 32);usermode.S 里 STAR 立即数也改成 $0x23。为什么要 0x23 而不是 0x20——见下面「调试现场」第一条,这是 QEMU 行为逼出来的修正。

接口约束 ​

你要实现出来的东西,对外长这样(职责与签名,不给实现):

  • 用户态 libc(user/libc/string.hpp,namespace cinux::user):size_t strlen(const char*)、int strcmp(const char*, const char*)、void* memset(void*, int, size_t)、void* memcpy(void*, const void*, size_t)、int memcmp(const void*, const void*, size_t)。
  • 用户态 syscall 封装(user/libc/syscall.h):int64_t sys_read(int, void*, size_t)、int64_t sys_write(int, const void*, size_t)、void sys_exit(int)、void sys_yield(void)。这一关用户态只有这四个 syscall,没有 sys_open/creat/close。
  • struct CmdEntry { const char* name; void (*handler)(int argc, char** argv); };(shell.hpp)。
  • size_t read_line(char* buf, size_t cap)、size_t tokenize(char* line, char** argv, size_t max_tokens)(都在 main.cpp 的匿名命名空间)。
  • void cmd_echo(int argc, char** argv)、void cmd_help(int argc, char** argv)、void cmd_clear(int argc, char** argv)(各一个 .cpp)。
  • 内核 int64_t sys_read(uint64_t fd, uint64_t buf_virt, uint64_t count, uint64_t, uint64_t, uint64_t)(kernel/syscall/sys_read.{hpp,cpp}),SYS_read 编号注册为 0。

关键约束(违反就翻车):

  • read_line 的退格必须发 \b \b 三字节,少发一个屏幕都擦不干净(光标不会回退到位 / 残影留着)。换行不写入 buf,只回显。
  • tokenize 必须就地改写 line(把空白替换成 NUL),argv[i] 指向缓冲内部;argc 不能超过 max_tokens。
  • _start 跑完必须 sys_exit(0)。ELF 入口是 _start 不是 main/shell_main;shell 主循环是死循环理论上不返回,但入口契约要求兜底 sys_exit,否则主循环若被意外跳出会 ret 进未定义地址。
  • sys_read 的两道守卫(buf_virt >= 0x800000000000、fd != 0)一个都不能漏,前者防用户程序拿内核地址当读缓冲越权,后者保证只走 stdin。
  • builtin_cmds[] 必须以 {nullptr, nullptr} 收尾;遍历分发靠这个哨兵停。加命令的扩展点就在这张表。
  • syscall 出口不许拿 callee-saved 寄存器当 scratch。SYSCALL 只自动存 RCX/R11,RBX/RBP 是 callee-saved,碰了用户的 RBX,shell 全瘫(见下面调试现场二)。返回值要暂存就存到 GS scratch 区(gs:16),出口从 trap frame rsp+80 把用户 RBX 恢复回去。

汇编出口具体怎么排、GDT 描述符 access/flags 怎么编码、STAR 立即数怎么移位、sys_read 自旋次数取多少——这些这一关不提供成品,你自己定,但定下来就得和 GDT_SYSRET_BASE 常量、和 syscall_init 写进 STAR 的值逐位对齐。

验证步骤 ​

shell 的纯逻辑(字符串工具、tokenizer、CmdEntry 分发、cmd_echo/cmd_help/cmd_clear 的输出、read_line 的退格/换行)在 host 上镜像着测——把这些纯逻辑在 test/unit/test_shell.cpp 里重写一份(不链内核、不跑汇编),-O2 编、CINUX_HOST_TEST 门控;sys_write/sys_read 用 mock 替掉。建议覆盖:strlen/strcmp/memset/memcpy/memcmp 的全边界(空串、等/不等、零长度、首/末字节差异)、tokenize(单词、多词、首尾空白、Tab、max_tokens 截断、空串、纯空白)、CmdEntry 查表命中/未命中/哨兵计数、cmd_echo(单参/多参/无参)、cmd_help(非空输出)、cmd_clear(发对 7 字节 \033[2J\033[H)、read_line(退格回退、换行终止不存):

bash
ctest --test-dir build -R shell --output-on-failure

真正的内核侧基础设施(sys_write/sys_read 的 fd/地址守卫、SyscallNr 常量、GDT 选择子、STAR/SFMASK 的 MSR 回读)只能在 QEMU 里验。机内测在 kernel/test/test_shell.cpp 里(节名 Shell Tests (024)),它说明一件重要的事:真用户态 shell 跑在 Ring 3,机内测无法直接调它,只能验它依赖的内核基础设施。配合 test_syscall.cpp/test_usermode.cpp/test_gdt_idt.cpp 把「GDT 重排 + STAR 改 0x23」钉死——尤其 STAR[47:32]=0x10、STAR[63:48]=0x23、GDT_USER_CODE/USER_DATA 带 RPL=3 这几个回读断言,是这一关的回归护栏:

bash
cmake --build build --target run-big-kernel-test

最后跑生产内核本身(直接跑大内核的 QEMU 目标),串口应依次看到:launch_first_user 的一串 [USER] ... 初始化日志、Jumping to Ring 3,然后用户态打出 Cinux shell - type 'help' for commands,接着出现 cinux> 提示符。这时(若接了交互输入)敲 help 看到三行命令清单、敲 echo hello world 看到 hello world、敲 clear 看到屏幕被擦净光标归位、退格能删字——这几样齐了,shell 就是「能对话」的了。

常见故障 ​

这一关踩的雷大多是「现象像 shell 的 bug、根因在 SYSCALL 路径」。两条都是真事,各拆成 症状 → 根因 → 修复 → 防复发:

  • 症状:shell 起来打完 prompt,PIT 一 tick 就 #GP,错误码 0x28。 错误码 0x28 = GDT 第 5 项(User Data)的 selector,RPL=0——也就是说 iretq 想把用户态 SS 加载成 0x28,但目标 CPL=3,SS 的 RPL/DPL 检查不过。根因不是你 GDT 错(描述符 DPL=3 是对的)、也不是 STAR 错(回读 0x00200010 是对的),而是QEMU/TCG 在 SYSRETQ 算 SS selector 时没执行 SDM 里的 OR 3(CS 它倒是执行了,所以 CS=0x33 对、SS=0x28 错)。诊断办法:在 PIT 的 C handler 里打 frame->cs/frame->ss,会看到用户中断时 SS=0x0028。修复:别指望 SYSRETQ 帮你设 RPL,把 RPL=3 编码进 STAR 基值——用 GDT_SYSRET_BASE = 0x23,这样 +8 = 0x2B、+16 = 0x33 本身就带 RPL=3。防复发:别信 SYSRETQ 出来的 SS.RPL,基值自带 RPL 最稳;注意这个根因必须说成「QEMU 行为」,Intel SDM 明确写 SYSRETQ 会 (...+8) OR 3,真硬件是对的。

  • 症状:回显一切正常,但 echo hello 打不出 hello、clear 也不清屏——所有命令全失效。 这种「共性失效」别去逐个命令查,直接怀疑 syscall 路径本身。根因:syscall.S 出口用 movq %rax, %rbx 把返回值暂存到 RBX,破坏了用户的 RBX——编译器把 read_line 里的 pos 变量分配进了 RBX(callee-saved,适合跨函数调用存活),结果每次 sys_read/sys_write 返回后 pos 都被覆盖成返回值 1,每个字符都写到 line[1]、回车时 line[1] = 0,最终 line 是空串、tokenize 出 0 个 token。诊断办法:在内核各层加 debug 打印(顺手会逼出一个用户态 printf,因为 kprintf 不在用户态可用),看到 line='' len=1 的怪象;再反汇编 user_shell 看到 lea rdx, [rbx+0x1]、反汇编 syscall.S 看到 movq %rax, %rbx,两头一对就锁死。修复:返回值改存 GS scratch 的 gs:16,出口从 trap frame rsp+80 把用户 RBX 恢复回去。防复发:SYSCALL 只自动存 RCX/R11,其余全靠软件;RBX/RBP/R12–R15 是 callee-saved,绝不能拿来当 scratch。

  • 回显正常、命令也匹配,但 clear 按了没反应(屏幕不净)。 多半是内核侧 Console 没吃 ANSI CSI:cmd_clear 发的是 \033[2J\033[H,如果 putc 直接把 ESC、[、2、J 当普通字符渲染,屏幕上就冒出一串乱码而不是清屏。检查 Console::putc 前面是不是挂了一台 Normal/Esc/Bracket 三态状态机,终止字节 J(参数 2)是不是真的调到 clear()、H 是不是把光标归位。

  • tokenize 漏词或把多个词粘成一个。 要么没跳 Tab(只跳了空格)、要么就地 NUL 写错位置(在空白处没写 NUL 导致下一个 token 的起点算错)。注意分词要把空格和 Tab 都当分隔符;停在空白字符时要 *line++ = '\0' 把它断开。

  • echo 多参数之间没有空格,或末尾多了个空格。 cmd_echo 里分隔空格的条件要写成 i > 1(从 argv[1] 起算,第二个参数之前才补空格),写成 i > 0 就会在 echo 后面先多打一个空格。

  • sys_read 一调就返回 -1,shell 读不到任何字符。 检查 fd 是不是传成了 1(写 fd)而不是 0(读 fd);或者 buf_virt 越过了 0x800000000000 上限被守卫挡了(用户栈在 0x7FFFFF000 一带,正常不会越,但若你把缓冲放到了奇怪地址就会触发)。

通过标准 ​

  1. host 单测全绿:strlen/strcmp/memset/memcpy/memcmp 全边界、tokenize(单/多词、首尾空白、Tab、max_tokens 截断、空串/纯空白)、CmdEntry 分发命中/未命中/哨兵计数、cmd_echo(单/多/无参)、cmd_help(非空输出)、cmd_clear(发对 7 字节转义)、read_line(退格、换行终止不存)。
  2. QEMU 机内测通过,节 Shell Tests (024) 全绿,且 test_syscall/test_usermode/test_gdt_idt 里 STAR[47:32]=0x10、STAR[63:48]=0x23、GDT_USER_CODE=0x33/GDT_USER_DATA=0x2B 带 RPL=3 的回读断言过。
  3. 串口出现 Cinux shell - type 'help' for commands 与 cinux> 提示符;help 打三行命令清单;echo <args> 把参数用单空格连起来输出并换行;clear 清屏并光标归位;退格能正确删字(\b \b 三字节齐全)。
  4. sys_read 只认 fd=0、buf_virt < 0x800000000000,从 Keyboard::poll 取事件、\r→\n、遇 \n 停(一次一行),空缓冲时 pause 自旋。
  5. SYSRETQ 出口的 CS=0x33 / SS=0x2B 都带 RPL=3(STAR 基值用 0x23 自带 RPL),PIT 中断往返不再触发 #GP(0x28)。
  6. syscall_entry 出口不破坏用户 callee-saved:返回值走 gs:16、用户 RBX 从 trap frame rsp+80 恢复——shell 所有命令正常工作、echo hello 真的打出 hello。

做到这六条,内核就第一次有了「能跟人对话」的用户态。但这个 shell 只在内存里转——它读的是键盘、写的是屏幕,没有任何东西落盘。下一站 025 接 AHCI/PCI,把数据真正写到 SATA 盘上,那才会带来真正的文件系统命令(cat/ls/...),也才会让 shell 从「会说话」变成「会管文件」。

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035_multi_terminal-40-g5d72b8b · 5d72b8b · 2026-06-26

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