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叢書名：圖靈程序設計叢書·Linux/UNIX系列
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- 作者：（德），莫爾勒 著 郭旭 譯
- 出版時間：2010/6/1
- ISBN：9787115227430
- 出 版 社：人民郵電出版社
- 中圖法分類：TP316.81
- 頁碼：1038
- 紙張：膠版紙
- 版次：1
- 開本：16開
《深入Linux內核架構》討論了Linux內核的概念、結構和實現(xiàn)。主要內容包括多任務、調度和進程管理，物理內存的管理以及內核與相關硬件的交互，用戶空間的進程如何訪問虛擬內存，如何編寫設備驅動程序，模塊機制以及虛擬文件系統(tǒng)，Ext文件系統(tǒng)屬性和訪問控制表的實現(xiàn)方式，內核中網絡的實現(xiàn)，系統(tǒng)調用的實現(xiàn)方式，內核對時間相關功能的處理，頁面回收和頁交換的相關機制以及審計的實現(xiàn)等。此外，《深入Linux內核架構》借助內核源代碼中最關鍵的部分進行講解，幫助讀者掌握重要的知識點，從而在運用中充分展現(xiàn)Linux系統(tǒng)的魅力。《深入Linux內核架構》適合Linux內核愛好者閱讀。
眾所周知，Linux操作系統(tǒng)的源代碼復雜、文檔少，對程序員的要求高，要想看懂這些代碼并不是一件容易事�！渡钊隠inux內核架構》結合內核版本2.6.24源代碼中最關鍵的部分。深入討論Lirnux內核的概念、結構和實現(xiàn)。具體包括進程管理和調度、虛擬內存、進程間通信、設備驅動程序、虛擬文件系統(tǒng)、網絡、時間管理、數(shù)據(jù)同步等。《深入Linux內核架構》引導你閱讀內核源代碼，熟悉Lirnux妍有的內在工作機理，充分展現(xiàn)Linux系統(tǒng)的魅力�！渡钊隠inux內核架構》適合Linux系統(tǒng)編程人員、系統(tǒng)管理者以及Linux愛好者學習使用�！ 热萑嫔钊搿 ∪蜷_源社區(qū)集體智慧結晶 領略Linux內核的絕美風光
莫爾勒（Woflgang Mauerer），資深Linux專家，有數(shù)十年Linux開發(fā)經驗。從1997年最初發(fā)表關于內核的系列文章開始，他就醉心于解釋Linux核心的內部機制、編寫相關的文檔，此外，他還著有LaTex排版方面的圖書，其撰寫的大量文章已經被釋譯成7種語言。
第1章 簡介和概述1
1.1 內核的任務2
1.2 實現(xiàn)策略2
1.3 內核的組成部分3
1.3.1 進程、進程切換、調度3
1.3.2 UNIX進程4
1.3.3 地址空間與特權級別6
1.3.4 頁表9
1.3.5 物理內存的分配11
1.3.6 計時13
1.3.7 系統(tǒng)調用13
1.3.8 設備驅動程序、塊設備和字符設備14
1.3.9 網絡14
1.3.10 文件系統(tǒng)14
1.3.11 模塊和熱插拔15
1.3.12 緩存16
1.3.13 鏈表處理16
1.3.14 對象管理和引用計數(shù)17
1.3.15 數(shù)據(jù)類型20
1.3.16 本書的局限性22
1.4 為什么內核是特別的23
1.5 行文注記23
1.6 小結27
第2章 進程管理和調度28
2.1 進程優(yōu)先級28
2.2 進程生命周期30
2.3 進程表示32
2.3.1 進程類型37
2.3.2 命名空間37
2.3.3 進程ID號43
2.3.4 進程關系49
2.4 進程管理相關的系統(tǒng)調用50
2.4.1 進程復制50
2.4.2 內核線程62
2.4.3 啟動新程序63
2.4.4 退出進程66
2.5 調度器的實現(xiàn)67
2.5.1 概觀67
2.5.2 數(shù)據(jù)結構69
2.5.3 處理優(yōu)先級74
2.5.4 核心調度器79
2.6 完全公平調度類84
2.6.1 數(shù)據(jù)結構85
2.6.2 CFS操作85
2.6.3 隊列操作89
2.6.4 選擇下一個進程91
2.6.5 處理周期性調度器92
2.6.6 喚醒搶占93
2.6.7 處理新進程93
2.7 實時調度類94
2.7.1 性質94
2.7.2 數(shù)據(jù)結構95
2.7.3 調度器操作96
2.8 調度器增強97
2.8.1 SMP調度97
2.8.2 調度域和控制組101
2.8.3 內核搶占和低延遲相關工作102
2.9 小結106
第3章 內存管理107
3.1 概述107
3.2 (N)UMA模型中的內存組織109
3.2.1 概述109
3.2.2 數(shù)據(jù)結構111
3.3 頁表123
3.3.1 數(shù)據(jù)結構124
3.3.2 頁表項的創(chuàng)建和操作129
3.4 初始化內存管理129
3.4.1 建立數(shù)據(jù)結構130
3.4.2 特定于體系結構的設置135
3.4.3 啟動過程期間的內存管理153
3.5 物理內存的管理159
3.5.1 伙伴系統(tǒng)的結構159
3.5.2 避免碎片161
3.5.3 初始化內存域和結點數(shù)據(jù)結構167
3.5.4 分配器API172
3.5.5 分配頁177
3.5.6 釋放頁192
3.5.7 內核中不連續(xù)頁的分配195
3.5.8 內核映射201
3.6 slab分配器205
3.6.1 備選分配器206
3.6.2 內核中的內存管理207
3.6.3 slab分配的原理209
3.6.4 實現(xiàn)212
3.6.5 通用緩存226
3.7 處理器高速緩存和TLB控制228
3.8 小結230
第4章 進程虛擬內存231
4.1 簡介231
4.2 進程虛擬地址空間231
4.2.1 進程地址空間的布局232
4.2.2 建立布局234
4.3 內存映射的原理237
4.4 數(shù)據(jù)結構238
4.4.1 樹和鏈表238
4.4.2 虛擬內存區(qū)域的表示239
4.4.3 優(yōu)先查找樹241
4.5 對區(qū)域的操作244
4.5.1 將虛擬地址關聯(lián)到區(qū)域245
4.5.2 區(qū)域合并246
4.5.3 插入?yún)^(qū)域247
4.5.4 創(chuàng)建區(qū)域248
4.6 地址空間250
4.7 內存映射251
4.7.1 創(chuàng)建映射251
4.7.2 刪除映射253
4.7.3 非線性映射254
4.8 反向映射257
4.8.1 數(shù)據(jù)結構258
4.8.2 建立逆向映射259
4.8.3 使用逆向映射259
4.9 堆的管理261
4.10 缺頁異常的處理263
4.11 用戶空間缺頁異常的校正268
4.11.1 按需分配/調頁269
4.11.2 匿名頁271
4.11.3 寫時復制271
4.11.4 獲取非線性映射272
4.12 內核缺頁異常272
4.13 在內核和用戶空間之間復制數(shù)據(jù)274
4.14 小結276
第5章 鎖與進程間通信277
5.1 控制機制277
5.1.1 競態(tài)條件277
5.1.2 臨界區(qū)278
5.2 內核鎖機制279
5.2.1 對整數(shù)的原子操作280
5.2.2 自旋鎖282
5.2.3 信號量283
5.2.4 RCU機制284
5.2.5 內存和優(yōu)化屏障286
5.2.6 讀者/寫者鎖287
5.2.7 大內核鎖288
5.2.8 互斥量288
5.2.9 近似的per-CPU計數(shù)器290
5.2.10 鎖競爭與細粒度鎖291
5.3 SystemV進程間通信292
5.3.1 SystemV機制292
5.3.2 信號量292
5.3.3 消息隊列300
5.3.4 共享內存303
5.4 其他IPC機制303
5.4.1 信號303
5.4.2 管道和套接字310
5.5 小結311
第6章 設備驅動程序312
6.1 I/O體系結構312
6.2 訪問設備316
6.2.1 設備文件316
6.2.2 字符設備、塊設備和其他設備317
6.2.3 使用ioctl進行設備尋址319
6.2.4 主從設備號的表示320
6.2.5 注冊321
6.3 與文件系統(tǒng)關聯(lián)324
6.3.1 inode中的設備文件成員324
6.3.2 標準文件操作325
6.3.3 用于字符設備的標準操作325
6.3.4 用于塊設備的標準操作325
6.4 字符設備操作326
6.4.1 表示字符設備326
6.4.2 打開設備文件326
6.4.3 讀寫操作328
6.5 塊設備操作329
6.5.1 塊設備的表示330
6.5.2 數(shù)據(jù)結構331
6.5.3 向系統(tǒng)添加磁盤和分區(qū)338
6.5.4 打開塊設備文件339
6.5.5 請求結構341
6.5.6 BIO343
6.5.7 提交請求345
6.5.8 I/O調度350
6.5.9 ioctl的實現(xiàn)352
6.6 資源分配353
6.6.1 資源管理353
6.6.2 I/O內存355
6.6.3 I/O端口357
6.7 總線系統(tǒng)358
6.7.1 通用驅動程序模型358
6.7.2 PCI總線363
6.7.3 USB370
6.8 小結376
第7章 模塊377
7.1 概述377
7.2 使用模塊378
7.2.1 添加和移除378
7.2.2 依賴關系380
7.2.3 查詢模塊信息381
7.2.4 自動加載382
7.3 插入和刪除模塊384
7.3.1 模塊的表示385
7.3.2 依賴關系和引用389
7.3.3 模塊的二進制結構391
7.3.4 插入模塊396
7.3.5 移除模塊403
7.4 自動化與熱插拔404
7.4.1 kmod實現(xiàn)的自動加載404
7.4.2 熱插拔405
7.5 版本控制408
7.5.1 校驗和方法408
7.5.2 版本控制函數(shù)411
7.6 小結412
第8章 虛擬文件系統(tǒng)413
8.1 文件系統(tǒng)類型413
8.2 通用文件模型414
8.2.1 inode415
8.2.2 鏈接416
8.2.3 編程接口416
8.2.4 將文件作為通用接口417
8.3 VFS的結構417
8.3.1 結構概觀418
8.3.2 inode419
8.3.3 特定于進程的信息423
8.3.4 文件操作427
8.3.5 目錄項緩存431
8.4 處理VFS對象436
8.4.1 文件系統(tǒng)操作436
8.4.2 文件操作450
8.5 標準函數(shù)456
8.5.1 通用讀取例程457
8.5.2 失效機制459
8.5.3 權限檢查461
8.6 小結463
第9章 Ext文件系統(tǒng)族464
9.1 簡介464
9.2 Ext2文件系統(tǒng)465
9.2.1 物理結構465
9.2.2 數(shù)據(jù)結構470
9.2.3 創(chuàng)建文件系統(tǒng)484
9.2.4 文件系統(tǒng)操作485
9.3 Ext3文件系統(tǒng)507
9.3.1 概念508
9.3.2 數(shù)據(jù)結構509
9.4 小結511
第10章 無持久存儲的文件系統(tǒng)512
10.1 proc文件系統(tǒng)512
10.1.1 /proc的內容513
10.1.2 數(shù)據(jù)結構519
10.1.3 初始化522
10.1.4 裝載proc文件系統(tǒng)523
10.1.5 管理/proc數(shù)據(jù)項525
10.1.6 讀取和寫入信息528
10.1.7 進程相關的信息530
10.1.8 系統(tǒng)控制機制535
10.2 簡單的文件系統(tǒng)542
10.2.1 順序文件542
10.2.2 用libfs編寫文件系統(tǒng)546
10.2.3 調試文件系統(tǒng)547
10.2.4 偽文件系統(tǒng)549
10.3 sysfs549
10.3.1 概述550
10.3.2 數(shù)據(jù)結構550
10.3.3 裝載文件系統(tǒng)554
10.3.4 文件和目錄操作556
10.3.5 向sysfs添加內容562
10.4 小結564
第11章 擴展屬性和訪問控制表565
11.1 擴展屬性565
11.1.1 到虛擬文件系統(tǒng)的接口566
11.1.2 Ext3中的實現(xiàn)570
11.1.3 Ext2中的實現(xiàn)576
11.2 訪問控制表577
11.2.1 通用實現(xiàn)577
11.2.2 Ext3中的實現(xiàn)580
11.2.3 Ext2中的實現(xiàn)585
11.3 小結585
……
第12章 網絡586
第13章 系統(tǒng)調用655
第14章 內核活動678
第15章 時間管理714
第16章 頁緩存和塊緩存761
第17章 數(shù)據(jù)同步793
第18章 頁面回收和頁交換821
第19章 審計882
附錄A 體系結構相關知識899
附錄B 使用源代碼919
附錄C 有關C語言的注記947
附錄D 系統(tǒng)啟動985
附錄E ELF二進制格式
附錄F 內核開發(fā)過程
參考文獻
內核很神奇，但歸根結底它只是一個大的C程序，帶有一些匯編代碼（不時出現(xiàn)很少量的“黑巫術”）。是什么使得內核如此吸引人？原因有幾個。首要一點在于，內核是由世界上最好的程序員編寫的，源代碼可以證實這一點。其結構良好，細節(jié)一絲不茍，巧妙的解決方案在代碼中處處可見。一言以蔽之：內核應該是什么樣子，它現(xiàn)在就是什么樣子。但這并不意味著內核是應用教科書風格的程序設計方法學得出的產品。盡管內核采用了設計得非常干凈的抽象，以保持代碼的模塊化和易管理性，但這一點與內核的其他方面混合起來，使得代碼非常有趣和獨特。在必要的情況下，內核會以上下文相關的方式重用比特位置，多次重載結構成員，從指針已經對齊的部分壓榨出又一個存儲位，自由地使用goto語句，還有很多其他東西，這些都會使任何強調結構的程序員因痛苦而尖叫。教科書答案中難以想象的那些技巧，對于實現(xiàn)能夠在真正的現(xiàn)實世界中正常工作的內核不僅是有益的，甚至是必需的。正是因為找到了一條在內核完全對立的兩面之間保持平衡的路徑，內核才如此令人興味盎然、富有挑戰(zhàn)性并且妙趣橫生！頌揚了內核源代碼之后，還有許多不同于用戶層程序的嚴肅問題需要說明。口調試內核通常要比調試用戶層程序困難。對后者來說有大量的調試器可用，而對于后者來說調試器的實現(xiàn)難度要高得多。附錄B討論了在內核開發(fā)中使用調試器的各種技巧，但與用戶層對應的方法相比都需要更多的工作�？趦群颂峁┝嗽S多輔助函數(shù)，類似于用戶空間的c語言庫，但內核領域中的東西總是樸素得多�？谟脩魧討贸绦虻腻e誤可能會導致段錯誤（segmentation fault）或內存轉儲（core dump），但內核錯誤會導致整個系統(tǒng)故障。甚至更糟的是：內核會繼續(xù)運行，在錯誤發(fā)生若干小時之后系統(tǒng)離奇地崩潰。如上所述，因為在內核空間調試比用戶層應用程序更困難，所以在內核代碼投入使用之前要進行更多的考慮。口必須考慮到內核運行的許多體系結構上根本不支持非對齊的內存訪問。由于編譯器插入的填充（padding）字段，也會影響到數(shù)據(jù)結構在不同體系結構之間的可移植性。附錄C會進一步討論這個問題�？谒械膬群舜a都必須是并發(fā)安全的。由于對多處理器計算機的支持，Linux內核代碼必須是可重入和線程安全的。也就是說，程序必須允許同時執(zhí)行，而數(shù)據(jù)必須針對并行訪問進行保護�？趦群舜a必須在小端序和大端序計算機上都能夠工作�？诖蠖鄶�(shù)的體系結構根本不允許在內核中執(zhí)行浮點計算，因此計算需要想辦法用整型來替代。后面讀者會看到如何處理這些問題。
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