Lab 033b · 懒创建终端:让点 Shell 真的弹出窗口

这个实验对应主书 033b · 懒创建终端,接在 Lab 033 之后。我们不在 lab 里贴完整答案代码——你要自己把 033 那个"点图标只存了意图、还没人消费"的桌面,改成"点 Shell 真的弹出终端窗口"。

033 收尾时,点 Shell 图标只往 pending_icon_action_ 槽里塞了一个 OpenShell,接下来就没人理了。这个 lab 要做的,就是给 tick 接上消费者,让那枚意图真的变成一个绑好管道的终端窗口。注意:这里只有 shell 能开窗,Calculator 图标依然没有消费者——那是下一个里程碑(fork/exec)的事,本 lab 诚实地不碰。

实验目标

把"开机就创建终端"的老路子改成"用户点 Shell 图标才懒创建终端"。

要点亮的是:gui_start() 从返回 Terminal* 改成返回 void(开机不再造终端)、模块级暂存 shell 的管道指针、一个 create_shell_terminal() helper 在点 Shell 时现场 new 出终端并绑上之前存好的管道、window.hpp/terminal.hpp 加一个 is_terminal() 虚函数让 tick 泛化地 poll 终端(而不是 unsafe 地把任意窗口 static_cast 成 Terminal*)、init.cpp 把管道接线顺序重排。最后会引出一个真实的时序坑:shell 在 boot 时就起来了,而终端窗口要到点击才出生——shell 先写的输出在终端出生前去哪儿了?

前置条件

• 跑通 Lab 033:WindowManager 的图标三件套(add_desktop_icon/hit_test_icon/consume_pending_icon_action)、composite() 在 clear 与窗口之间插的 draw_desktop_icons、handle_mouse 命中图标时把 action 存进 pending_icon_action_。
• 跑通 Lab 031b:内核管道 Pipe(4 KB 环形缓冲、try_read/try_write 非阻塞、满了/空了的阻塞语义)、PipeReadOps/PipeWriteOps 把管道伪装成文件、FDTable::set、init.cpp 把 fd0/fd1 接成管道。
• 知道 032 那条 gui_tick_callback 里对 wm.focused() 做 static_cast<Terminal*> 然后调 poll_output() 的 poll 路径。

任务分解

任务 1:gui_start() 改 void,开机不再造终端

032 的 gui_start() 返回 Terminal*,开机就 new 一个终端、add_window、把指针交还 init。这条路要拆掉。

• 返回类型从 Terminal* 改成 void。开机那行"new 终端 + add_window"删掉——它现在归点击逻辑管。
• gui_start() 现在的职责回归到"注册桌面图标(Shell/Calculator)+ 注册 tick 回调"这两件 033 已经做完的事。
• 想清楚为什么要拆:开机造终端意味着"桌面永远先有一个终端",而 033 的设计是"桌面先空着,终端按需出生"。返回 void 是为了让 init 没法再拿到那个开机终端去接管道——逼着管道接线走新的暂存路径。

任务 2:模块级暂存管道指针 + set_shell_pipes

管道不能再像 031b 那样由 init 直接塞给某个开机终端了——因为那个终端还没出生。

• 在 gui_init.cpp 的匿名命名空间里加两个 Pipe* 模块级指针(初值 nullptr)。
• 新增 void set_shell_pipes(Pipe* stdin_pipe, Pipe* stdout_pipe):把两个指针存进模块变量,打印一行 [GUI] Shell pipes stored: stdin=%p stdout=%p 方便确认。
• 头文件里前向声明 namespace cinux::ipc { class Pipe; }(取代原来的 class Terminal; 前向声明)。
• 这两个指针是"管道的占位符":init 先把管道建好、指针存进来,等终端出生时再让终端去用它们。

任务 3:create_shell_terminal() helper

在匿名命名空间里加一个 helper,点 Shell 时调用。

• 算窗口尺寸:宽 = Terminal::COLS * 8、高 = Terminal::ROWS * 16。位置先给个默认(左上偏移),如果 g_screen 非空且放得下就居中。
• new Terminal(x, y, "Cinux Terminal") + set_font(g_font)。
• 把任务 2 存好的两个 Pipe* 绑上去:set_stdin_pipe(g_stdin_pipe) / set_stdout_pipe(g_stdout_pipe)——绑的是同一对指针,不是新管道。
• wm.add_window(term),打印 [GUI] Shell terminal created and connected.。
• 关键点:每次点 Shell 都 new 一个新终端,但它们共享同一对全局管道指针。这意味着本 lab 里只有一个 shell 进程(多 shell 要等 fork/exec)——这一点要在代码注释或报告里诚实标注。

任务 4:tick 接上消费者

改 gui_tick_callback。

• 回调开头:先 consume_pending_icon_action() 取出 033 存进槽里的动作。取出即清零(consume 的语义是取出-清零,见 033)。
• 只有 OpenShell 一个分支:命中就 create_shell_terminal()。
• 不要写 OpenCalculator 分支。这是诚实的:Calculator 没有对应的窗口类,也没有 helper。点 Calculator 的动作被 consume 取出来后,在 if (OpenShell) 里不匹配,静默落地——什么都不发生。

任务 5:is_terminal() 虚函数,替换嗅探式 downcast

032 的 tick 里是"拿到 focused(),无脑 static_cast<Terminal*>,然后调 poll_output()"。这在"桌面只有终端窗口"时凑合,但 033 之后桌面迟早会出现非终端窗口(虽然本 lab 还没有)——把一个普通窗口 unsafe downcast 成 Terminal* 再调虚函数,是定时炸弹。

• window.hpp 基类加 virtual bool is_terminal() const { return false; }。
• terminal.hpp 派生加 bool is_terminal() const override { return true; }。
• tick 的 poll 路径改成:focused != nullptr && focused->is_terminal() 为真,才 static_cast<Terminal*>(focused) 调 poll_output() + render_to_canvas()。
• 想清楚为什么用虚函数而不是别的:运行期由对象自己的 vtable 分发,基类默认 false、终端 override 成 true,调用方只问 is_terminal() 就知道能不能安全 downcast,不必"嗅探"对象类型。这是 C++ 虚函数的标准用法(cppreference: virtual)。

任务 6:终端析构只清指针,不关管道

031b 的 Terminal 析构会 close_writer/close_reader——因为那时一个终端独占一对管道,终端死了管道也该关。懒创建下这个假设破了。

• 析构改成只把两个 Pipe* 成员置 nullptr,不调 close_*。
• 注释写明原因:管道由外部(init)持有,懒创建模式下同一对管道可能先后接多个终端(用户点 Shell、关掉、再点);如果析构关了端,shell 会误以为读端/写端走了,后续行为错乱。
• 这条和任务 3 的"共享管道"是同一个设计决策的两面。

任务 7:init.cpp 重排管道接线

031b 的 init 顺序是 gui_start() 拿 term → 建管道 → 绑 fd0/fd1 → term->set_stdin/stdout_pipe → launch_first_user()。gui_start 改 void 之后,中间那步没了。

• 建 stdin/stdout 两个管道、装进 fd0/fd1 的部分不变(new Pipe → PipeReadOps/PipeWriteOps → Inode → File → set(0/1, ...),方向别装反:fd0 读、fd1 写)。
• 新增:cinux::gui::set_shell_pipes(stdin_pipe, stdout_pipe);——把同一对 Pipe* 存进 gui 模块,等终端出生时用。
• 打印 [INIT] Terminal-shell pipes connected: ...。
• gui_start(); 不再捕获返回值(它现在是 void),而且必须挪到 set_shell_pipes 之后。
• launch_first_user(); 在最后,shell 起来时 fd0/fd1 已是管道。
• 删掉 031b 那行 term->set_stdin_pipe/set_stdout_pipe 和 terminal.hpp 的 include。

接口约束

• gui_start() 返回 void(不是 Terminal*)。
• set_shell_pipes(Pipe* stdin_pipe, Pipe* stdout_pipe) 存指针不持有所有权(不 delete),指针为 nullptr 时 create_shell_terminal 应跳过对应绑定(别解空指针)。
• create_shell_terminal() 尺寸:COLS*8 × ROWS*16(终端字符网格 8px 宽 16px 高);add_window 后才上屏。
• tick 消费顺序:先 consume pending action 开窗,再 poll focused;consume 命中 OpenShell 当拍就会 create_shell_terminal()(内部 add_window → update_focus 把新终端立刻设为 focused),紧接其后的 poll 分支同一拍就命中它,poll_output() 抽干管道缓冲里之前积压的 shell 输出、render_to_canvas() 出帧——所以新终端一出生就带着 shell 的欢迎信息,不存在"要等下一拍才 poll"的延迟。
• is_terminal():基类 false、Terminal override true,const 且无副作用;只用在 gui_init 的 poll 路径,不是给 WM 内部用的类型判断。
• 终端析构:不关管道,只置指针为 nullptr。
• init.cpp 顺序:set_shell_pipes 必须在 gui_start 与 launch_first_user 之前。

验证步骤

第一步:host 单元测试(ctest 名 desktop,镜像了 WM 的图标层逻辑):

ctest --test-dir build -R "desktop" --output-on-failure

预期:聚焦消费行为的关键测试过——"desktop: icon click sets pending_icon_action"、"desktop: different icons set different actions"、"desktop: consume_pending_icon_action returns None when empty"、"... resets to None"、"desktop: multiple consumes without click all return None"。注意 host 测试是 mock 重新实现的镜像(不链 kernel 代码),它验证的是 WM 图标层的契约,不是懒创建本身——懒创建的端到端验证靠下面两步。

第二步:QEMU kernel 测试(入口 run_desktop_tests(),TEST_SECTION("Desktop Tests (033_gui_desktop)")):

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

预期:test_desktop_click_sets_and_consumes_action(MouseDown 命中 → consume 得 OpenShell → 再 consume 得 None)、test_desktop_consume_no_pending、test_desktop_click_no_icon_no_action、test_desktop_click_window_no_icon_action、test_desktop_full_scenario 等过,QEMU 退 1。

第三步:端到端视觉验证:

cmake --build build --target run

预期串口的相对顺序(注意 set_shell_pipes 在 gui_start() 之前,所以前两行打在 milestone 之前):

[GUI] Shell pipes stored: stdin=0x... stdout=0x...
[INIT] Terminal-shell pipes connected: stdin_pipe=0x... stdout_pipe=0x...
...
[GUI] ===== Milestone 033: GUI Desktop =====
[GUI] Desktop icons registered: Shell, Calculator.
[GUI] GUI tick callback registered on PIT.

开机进 GUI,看到桌面两个图标。点 Shell → 串口出现 [GUI] Shell terminal created and connected.,屏幕足够大时居中弹出终端窗口(否则落在兜底位置 (80,60)),窗口里出现 shell 提示符(开机到现在 shell 往管道里写的东西被这次 tick 的 poll_output 抽干落屏)。点 Calculator → 串口无新行、桌面无新窗、什么都没发生——这就是本 lab 的诚实边界。

常见故障

• 开机就有一个终端窗口、不是点 Shell 才出:任务 1 没做干净,gui_start() 里还留着开机 new 终端 + add_window,或者 init 还在用 gui_start() 的返回值。开机桌面应该是空的(只有两个图标)。
• 点 Shell 出窗了但窗口空白、没有 shell 提示符:任务 7 的 set_shell_pipes 没在 launch_first_user 之前调,或根本没调——shell 起来时管道指针还没存进 gui 模块,create_shell_terminal 绑到的是 nullptr,终端和管道没接上。检查串口有没有那两行 Shell pipes stored / Terminal-shell pipes connected。
• shell 输出丢了、只看到点 Shell 之后敲的命令:poll_output 用了阻塞 read 而非 try_read,或者懒创建下 shell 在终端出生前写满 4KB 管道阻塞了。这是真实的时序陷阱:生产者(shell,boot 时起)先于消费者(Terminal,点击才生)启动,shell 的早期输出全暂存在管道环形缓冲里(pipe(7):管道写满则 write 阻塞);缓冲满之前 shell 不会卡,终端出生后 poll_output 抽干就恢复。若 shell 启动横幅太长把缓冲写满、用户又迟迟不点 Shell,shell 会自旋等——这是有界缓冲的固有代价,见 031b 的 sti;hlt 自旋语义。
• 关掉终端窗口后再点 Shell,新窗没输出 / shell 卡死:任务 6 没做,析构还是 close_writer/close_reader,第一次关窗就把管道端关了,shell 误以为对端走了。懒创建下管道生命周期独立于终端,析构只能清指针。
• 点 Calculator 弹了个奇怪的东西 / 报段错误:别给 OpenCalculator 加分支。本 lab 没有 Calculator 窗口类,加分支只会调到不存在的类或乱 static_cast。正确的现象是点 Calculator 没反应,这是诚实的。
• 桌面冻住 / tick 卡死:create_shell_terminal 里某个步骤阻塞了,或 poll 路径忘了 is_terminal() 判空就 static_cast 到一个非终端窗口(虽然本 lab 桌面只有终端,但养成判 is_terminal() 的习惯能避免后面引入新窗口类型时翻车)。

通过标准

• [ ] host ctest -R "desktop" 全绿,test_host 整体不回归。
• [ ] run-big-kernel-test 里 run_desktop_tests 通过(尤其 test_desktop_click_sets_and_consumes_action),QEMU 退 1。
• [ ] gui_start() 返回 void、开机桌面只有图标无终端;set_shell_pipes 暂存指针;create_shell_terminal 点 Shell 时 new 终端 + 绑同一对 Pipe* + add_window。
• [ ] tick 先 consume_pending_icon_action 再 poll;if (OpenShell) create_shell_terminal(),无 OpenCalculator 分支。
• [ ] window.hpp 基类 is_terminal() 返 false、terminal.hpp override 返 true;tick poll 路径用 focused->is_terminal() 守门再 downcast。
• [ ] Terminal 析构只清指针、不关管道。
• [ ] init.cpp 顺序:set_shell_pipes → gui_start()(void)→ launch_first_user(),管道在 shell 起来前就绪。
• [ ] 端到端:点 Shell 弹出居中终端窗、出现 shell 提示符;点 Calculator 无反应。
• [ ] 在代码或报告里诚实标注两条边界:① 本 lab 没有独立 shell,多终端共享同一对全局 Pipe*(独立 shell 要等 fork/exec);② Calculator 图标在本 lab 没有消费者,点它什么都不会发生——这是有意的中间态,不是 bug。不把未实现的东西写成已工作。