ch31 已经能跑 musl libc 的 hello world 了，这一章目标更高：启动 busybox sh，看到 / # 提示符。busybox 是个真正的程序，碰到的问题也更真实。

准备工作

获取静态编译的 busybox

wget https://busybox.net/downloads/binaries/1.35.0-x86_64-linux-musl/busybox
chmod +x busybox
file busybox
# busybox: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, statically linked

更新 ext2 镜像

busybox 需要 /bin/sh、/etc/passwd、/etc/group：

sudo mkdir -p /tmp/ext2mnt/bin
sudo mkdir -p /tmp/ext2mnt/etc
sudo cp $(BUSYBOX) /tmp/ext2mnt/bin/busybox
sudo cp $(BUSYBOX) /tmp/ext2mnt/bin/sh
printf 'root:x:0:0:root:/root:/bin/sh\n' | sudo tee /tmp/ext2mnt/etc/passwd > /dev/null
printf 'root:x:0:\n' | sudo tee /tmp/ext2mnt/etc/group > /dev/null

Bug 1：GDT TSS 描述符溢出

x86_64 下 TSS 描述符是 16 字节（两个 qword），GDT 必须为它预留两个连续槽位。之前只预留了一个，导致 TSS 描述符的高 8 字节覆盖了相邻的全局变量（恰好是 mmap_next），进程一分配匿名内存就跳到奇怪的地址。

修复很简单：GDT 数组多留一个空槽给 TSS 高半部分。

Bug 2：syscall handler 中的用户指针失效

这才是这一章最重要的发现，也是最难追踪的 bug。

问题现象

busybox 启动后打印：

/etc/passwd: bad record

明明镜像里有这个文件，为什么读失败？

根本原因

内核在 syscall_handler 开头调用 vmm_switch(kernel_pml4) 切换到内核页表。切换之后，所有作为 syscall 参数传入的用户空间虚拟地址在内核页表下不再有效。

直接把用户 VA 当 C 指针使用，读到的是零或垃圾数据：

// 错误的写法
const char *path = (const char *)a1;   // a1 是用户 VA
vfs_path_lookup(path);                  // 内核页表下读到空字符串！

完整的错误链

  1. SYS_OPEN 收到 a1 = 0x...（用户 VA，指向 “/etc/passwd”）
  2. 内核页表下解引用该地址，读到空字符串 ""
  3. vfs_path_lookup("") 返回 0（找不到）
  4. vfs_open 的 fallback 逻辑调用 vfs_fops->create(root, "etc/passwd") 在根目录创建了一个名为 "etc/passwd" 的空文件
  5. busybox 读这个空文件时解析失败，输出 bad record

调试技巧

定位"路径查找是否被调用"的方法：在 vfs_path_lookup 开头加一行串口打印，观察是否出现对应路径的日志。如果完全没有日志，说明问题在 syscall 参数层面（用户指针失效），而非 VFS 层面。

修复：copy_str_from_user

解决方案是通过物理地址走 current->pml4 页表，安全地从用户空间读取数据：

static int copy_str_from_user(char *kdst, uint64_t uva, uint32_t maxlen) {
    for (uint32_t i = 0; i < maxlen - 1; i++) {
        uint64_t va   = uva + i;
        uint64_t page = vmm_virt_to_phys(current->pml4, va & ~0xFFFULL);
        if (!page) { kdst[i] = 0; return -1; }
        char c = *(char *)(page + (va & 0xFFF));
        kdst[i] = c;
        if (!c) return 0;
    }
    kdst[maxlen - 1] = 0;
    return 0;
}

关键在于 vmm_virt_to_phys(current->pml4, ...) ——走的是进程自己的页表，与当前 CR3 无关。不管内核切没切换页表，都能正确找到用户内存对应的物理地址。

同理，读写二进制数据也需要对应的辅助函数：

操作 函数
从用户读字符串 copy_str_from_user(kdst, uva, maxlen)
从用户读二进制数据 copy_from_user(kdst, uva, len)
向用户写数据 copy_to_user(uva, ksrc, len)

全部内部使用 vmm_virt_to_phys(current->pml4, ...) 走物理地址。

受影响的 syscall

需要处理用户指针的 syscall 都要改：SYS_OPEN、SYS_OPENAT、SYS_EXECVE、SYS_CHDIR、SYS_WAIT4、SYS_UNAME、SYS_GETCWD、SYS_GETTIMEOFDAY、SYS_CLOCK_GETTIME、SYS_NANOSLEEP、SYS_POLL、SYS_PIPE、SYS_READLINKAT、SYS_NEWFSTATAT。

Bug 3：ext2 子目录不存在

即使修复了用户指针问题，路径查找还需要 /etc 目录真实存在于 ext2.img 中。用 debugfs 验证：

debugfs -R 'ls /etc' ext2.img

如果 /etc 不在镜像里，vfs_path_lookup("/etc/passwd") 在第一层 lookup("etc") 时就返回 0。Makefile 里创建镜像时要确保目录结构正确建立。

新增 SYS_LSEEK

busybox 在解析 /etc/passwd 时使用 lseek 进行文件内定位：

int64_t vfs_lseek(int fd, int64_t offset, int whence) {
    file_t *f = get_file(fd);
    if (!f) return -EBADF;
    int64_t new_off;
    if      (whence == SEEK_SET) new_off = offset;
    else if (whence == SEEK_CUR) new_off = f->offset + offset;
    else if (whence == SEEK_END) new_off = f->size + offset;
    else return -EINVAL;
    if (new_off < 0) return -EINVAL;
    f->offset = new_off;
    return new_off;
}

最终结果

syscall initialized
[tss] init ok, rsp0=0x0000000000101000
[init] pid=0x00000000004fe8dc
/bin/sh: can't access tty; job control turned off
/ #

busybox sh 成功启动，显示 / # 提示符，无任何错误。

不过此时 shell 在收到 EOF 后立即退出——因为 tty_read 是非阻塞的，没有输入就直接返回 0。实现真正交互式 shell 还需要阻塞式 TTY read，这是下一章的事。

小结

这一章有两个值得记住的教训：

用户指针不能直接用：syscall handler 切换到内核页表后，用户传进来的 VA 就失效了。所有访问用户内存的地方必须通过 copy_str_from_user / copy_from_user / copy_to_user，内部走进程自己的 pml4 查物理地址。这是个系统性问题，涉及到几乎所有接收指针参数的 syscall。

GDT 布局细节：x86_64 的 TSS 描述符占两个槽，不是一个。这种低级错误导致的内存破坏极难追踪，因为它会破坏相邻的全局变量，表现形式千奇百怪。