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深入Linux内核架构
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{| class="wikitable" align="right" |- |<center><img src=https://www0.kfzimg.com/G06/M00/97/08/p4YBAFqeSnuAdFFsAADPnXQBCpo473_s.jpg width="260"></center> <small>[https://book.kongfz.com/14708/6819993556 来自 孔夫子网 的图片]</small> |} 《'''深入Linux内核架构'''》，[德] Wolfgang Mauerer 著，郭旭 译，出版社： 人民邮电出版社。 人民邮电出版社，1953年10月成立，隶属于中国工信出版传媒集团，是[[工业]]和信息化部主管的大型专业出版社<ref>[http://www.zhongyw.com.cn/news/show-53574.html 我国出版社的等级划分和分类标准]，知网出书，2021-03-01</ref>。建社以来，人民邮电出版社围绕“立足工信事业，面向现代[[社会]]，传播科学知识，引领美好生活”的出版宗旨，已发展成为集图书、[[期刊]]、音像电子及数字出版于一体的综合性出版大社<ref>[https://www.ptpress.com.cn/p/z/1625016162875.html 人民邮电出版社简介]，人民邮电出版社</ref>。 ==内容简介== 本书讨论了Linux内核的概念、结构和实现。主要内容包括多任务、调度和进程管理，物理内存的管理以及内核与相关硬件的交互，用户空间的进程如何访问虚拟内存，如何编写设备驱动程序，模块机制以及虚拟文件系统，Ext文件系统属性和访问控制表的实现方式，内核中网络的实现，系统调用的实现方式，内核对时间相关功能的处理，页面回收和页交换的相关机制以及审计的实现等。此外，本书借助内核源代码中**关键的部分进行讲解，帮助读者掌握重要的知识点，从而在运用中充分展现Linux系统的魅力。 本书适合Linux内核爱好者[[阅读]]。 ==目录== 第 1章 简介和概述 1 1．1 内核的任务 2 1．2 实现策略 2 1．3 内核的组成部分 3 1．3．1 进程、进程切换、调度 3 1．3．2 UNIX进程 4 1．3．3 地址空间与特权级别 6 1．3．4 页表 9 1．3．5 物理内存的分配 11 1．3．6 计时 13 1．3．7 系统调用 13 1．3．8 设备[[驱动程序]]、块设备和字符设备 14 1．3．9 网络 14 1．3．10 文件系统 14 1．3．11 模块和热插拔 15 1．3．12 缓存 16 1．3．13 链表处理 16 1．3．14 对象管理和引用计数 17 1．3．15 数据类型 20 1．3．16 本书的局限性 22 1．4 为什么内核是特别的 23 1．5 行文注记 23 1．6 小结 27 第 2章 进程管理和调度 28 2．1 进程优先级 28 2．2 进程生命周期 30 2．3 进程表示 32 2．3．1 进程类型 37 2．3．2 命名空间 37 2．3．3 进程ID号 43 2．3．4 进程关系 49 2．4 进程管理相关的系统调用 50 2．4．1 进程复制 50 2．4．2 内核线程 62 2．4．3 启动新程序 63 2．4．4 退出进程 66 2．5 调度器的实现 67 2．5．1 概观 67 2．5．2 数据结构 69 2．5．3 处理优先级 74 2．5．4 核心调度器 79 2．6 完全公平调度类 84 2．6．1 数据结构 85 2．6．2 CFS操作 85 2．6．3 队列操作 89 2．6．4 选择下一个进程 91 2．6．5 处理周期性调度器 92 2．6．6 唤醒抢占 93 2．6．7 处理新进程 93 2．7 实时调度类 94 2．7．1 性质 94 2．7．2 数据结构 95 2．7．3 调度器操作 96 2．8 调度器增强 97 2．8．1 SMP调度 97 2．8．2 调度域和控制组 101 2．8．3 内核抢占和低延迟相关工作 102 2．9 小结 106 第3章 内存管理 107 3．1 概述 107 3．2 (N)UMA模型中的内存组织 109 3．2．1 概述 109 3．2．2 数据结构 111 3．3 页表 123 3．3．1 数据结构 124 3．3．2 页表项的创建和操作 129 3．4 初始化内存管理 129 3．4．1 建立数据结构 130 3．4．2 特定于体系结构的设置 135 3．4．3 启动过程期间的内存管理 153 3．5 物理内存的管理 159 3．5．1 伙伴系统的结构 159 3．5．2 避免碎片 161 3．5．3 初始化内存域和结点数据结构 167 3．5．4 分配器API 172 3．5．5 分配页 177 3．5．6 释放页 192 3．5．7 内核中不连续页的分配 195 3．5．8 内核映射 201 3．6 slab分配器 205 3．6．1 备选分配器 206 3．6．2 内核中的内存管理 207 3．6．3 slab分配的原理 209 3．6．4 实现 212 3．6．5 通用缓存 226 3．7 处理器高速缓存和TLB控制 228 3．8 小结 230 第4章 进程虚拟内存 231 4．1 简介 231 4．2 进程虚拟地址空间 231 4．2．1 进程地址空间的布局 232 4．2．2 建立布局 234 4．3 内存映射的原理 237 4．4 数据结构 238 4．4．1 树和链表 238 4．4．2 虚拟内存区域的表示 239 4．4．3 优先查找树 241 4．5 对区域的操作 244 4．5．1 将虚拟地址关联到区域 245 4．5．2 区域合并 246 4．5．3 插入区域 247 4．5．4 创建区域 248 4．6 地址空间 250 4．7 内存映射 251 4．7．1 创建映射 251 4．7．2 删除映射 253 4．7．3 非线性映射 254 4．8 反向映射 257 4．8．1 数据结构 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 缺页异常的处理 263 4．11 用户空间缺页异常的校正 268 4．11．1 按需分配 调页 269 4．11．2 匿名页 271 4．11．3 写时复制 271 4．11．4 获取非线性映射 272 4．12 内核缺页异常 272 4．13 在内核和用户空间之间复制数据 274 4．14 小结 276 第5章 锁与进程间通信 277 5．1 控制机制 277 5．1．1 竞态条件 277 5．1．2 临界区 278 5．2 内核锁机制 279 5．2．1 对整数的原子操作 280 5．2．2 自旋锁 282 5．2．3 信号量 283 5．2．4 RCU机制 284 5．2．5 内存和优化屏障 286 5．2．6 读者 写者锁 287 5．2．7 大内核锁 288 5．2．8 互斥量 288 5．2．9 近似的per-CPU计数器 290 5．2．10 锁竞争与细粒度锁 291 5．3 System V进程间通信 292 5．3．1 System V机制 292 5．3．2 信号量 292 5．3．3 消息队列 300 5．3．4 共享内存 303 5．4 其他IPC机制 303 5．4．1 信号 303 5．4．2 管道和套接字 310 5．5 小结 311 第6章 设备驱动程序 312 6．1 I O体系结构 312 6．2 访问设备 316 6．2．1 设备文件 316 6．2．2 字符设备、块设备和其他设备 317 6．2．3 使用ioctl进行设备寻址 319 6．2．4 主从设备号的表示 320 6．2．5 注册 321 6．3 与文件系统关联 324 6．3．1 inode中的设备文件成员 324 6．3．2 标准文件操作 325 6．3．3 用于字符设备的标准操作 325 6．3．4 用于块设备的标准操作 325 6．4 字符设备操作 326 6．4．1 表示字符设备 326 6．4．2 打开设备文件 326 6．4．3 读写操作 328 6．5 块设备操作 329 6．5．1 块设备的表示 330 6．5．2 数据结构 331 6．5．3 向系统添加磁盘和分区 338 6．5．4 打开块设备文件 339 6．5．5 请求结构 341 6．5．6 BIO 343 6．5．7 提交请求 345 6．5．8 I O调度 350 6．5．9 ioctl的实现 352 6．6 资源分配 353 6．6．1 资源管理 353 6．6．2 I O内存 355 6．6．3 I O端口 357 6．7 总线系统 358 6．7．1 通用驱动程序模型 358 6．7．2 PCI总线 363 6．7．3 USB 370 6．8 小结 376 第7章 模块 377 7．1 概述 377 7．2 使用模块 378 7．2．1 添加和移除 378 7．2．2 依赖关系 380 7．2．3 查询模块信息 381 7．2．4 自动加载 382 7．3 插入和删除模块 384 7．3．1 模块的表示 385 7．3．2 依赖关系和引用 389 7．3．3 模块的二进制结构 391 7．3．4 插入模块 396 7．3．5 移除模块 403 7．4 自动化与热插拔 404 7．4．1 kmod实现的自动加载 404 7．4．2 热插拔 405 7．5 版本控制 408 7．5．1 校验和方法 408 7．5．2 版本控制函数 411 7．6 小结 412 第8章 虚拟文件系统 413 8．1 文件系统类型 413 8．2 通用文件模型 414 8．2．1 inode 415 8．2．2 链接 416 8．2．3 编程接口 416 8．2．4 将文件作为通用接口 417 8．3 VFS的结构 417 8．3．1 结构概观 418 8．3．2 inode 419 8．3．3 特定于进程的信息 423 8．3．4 文件操作 427 8．3．5 目录项缓存 431 8．4 处理VFS对象 436 8．4．1 文件系统操作 436 8．4．2 文件操作 450 8．5 标准函数 456 8．5．1 通用读取例程 457 8．5．2 失效机制 459 8．5．3 权限检查 461 8．6 小结 463 第9章 Ext文件系统族 464 9．1 简介 464 9．2 Ext2文件系统 465 9．2．1 物理结构 465 9．2．2 数据结构 470 9．2．3 创建文件系统 484 9．2．4 文件系统操作 485 9．3 Ext3文件系统 507 9．3．1 概念 508 9．3．2 数据结构 509 9．4 小结 511 第 10章 无持久存储的文件系统 512 10．1 proc文件系统 512 10．1．1 proc的内容 513 10．1．2 数据结构 519 10．1．3 初始化 522 10．1．4 装载proc文件系统 523 10．1．5 管理 proc数据项 525 10．1．6 读取和写入信息 528 10．1．7 进程相关的信息 530 10．1．8 系统控制机制 535 10．2 简单的文件系统 542 10．2．1 顺序文件 542 10．2．2 用libfs编写文件系统 546 10．2．3 调试文件系统 547 10．2．4 伪文件系统 549 10．3 sysfs 549 10．3．1 概述 550 10．3．2 数据结构 550 10．3．3 装载文件系统 554 10．3．4 文件和目录操作 556 10．3．5 向sysfs添加内容 562 10．4 小结 564 第 11章 扩展属性和访问控制表 565 11．1 扩展属性 565 11．1．1 到虚拟文件系统的接口 566 11．1．2 Ext3中的实现 570 11．1．3 Ext2中的实现 576 11．2 访问控制表 577 11．2．1 通用实现 577 11．2．2 Ext3中的实现 580 11．2．3 Ext2中的实现 585 11．3 小结 585 第 12章 网络 586 12．1 互联的计算机 586 12．2 ISO OSI和TCP IP参考模型 587 12．3 通过套接字通信 589 12．3．1 创建套接字 590 12．3．2 使用套接字 591 12．3．3 数据报套接字 595 12．4 网络实现的分层模型 595 12．5 网络命名空间 597 12．6 套接字缓冲区 599 12．6．1 使用套接字缓冲区管理数据 600 12．6．2 管理套接字缓冲区数据 602 12．7 网络访问层 603 12．7．1 网络设备的表示 603 12．7．2 接收分组 608 12．7．3 发送分组 614 12．8 网络层 615 12．8．1 IPv4 615 12．8．2 接收分组 617 12．8．3 交付到本地传输层 618 12．8．4 分组转发 619 12．8．5 发送分组 620 12．8．6 netfilter 623 12．8．7 IPv6 627 12．9 传输层 628 12．9．1 UDP 628 12．9．2 TCP 630 12．10 应用层 640 12．10．1 socket数据结构 640 12．10．2 套接字和文件 643 12．10．3 socketcall系统调用 644 12．10．4 创建套接字 645 12．10．5 接收数据 646 12．10．6 发送数据 647 12．11 内核内部的网络通信 647 12．11．1 通信函数 648 12．11．2 netlink机制 649 12．12 小结 654 第 13章 系统调用 655 13．1 系统程序设计基础 655 13．1．1 追踪系统调用 656 13．1．2 支持的标准 658 13．1．3 重启系统调用 659 13．2 可用的系统调用 660 13．3 系统调用的实现 663 13．3．1 系统调用的结构 664 13．3．2 访问用户空间 670 13．3．3 追踪系统调用 670 13．4 小结 676 第 14章 内核活动 678 14．1 中断 678 14．1．1 中断类型 678 14．1．2 硬件IRQ 680 14．1．3 处理中断 680 14．1．4 数据结构 682 14．1．5 中断电流处理 688 14．1．6 初始化和分配IRQ 692 14．1．7 处理IRQ 693 14．2 软中断 701 14．2．1 开启软中断处理 702 14．2．2 软中断守护进程 703 14．3 tasklet 704 14．3．1 创建tasklet 704 14．3．2 注册tasklet 704 14．3．3 执行tasklet 705 14．4 等待队列和完成量 706 14．4．1 等待队列 706 14．4．2 完成量 710 14．4．3 工作队列 711 14．5 小结 713 第 15章 时间管理 714 15．1 概述 714 15．1．1 定时器的类型 714 15．1．2 配置选项 716 15．2 低分辨率定时器的实现 717 15．2．1 定时器激活与进程统计 717 15．2．2 处理jiffies 719 15．2．3 数据结构 720 15．2．4 动态定时器 721 15．3 通用时间子系统 725 15．3．1 概述 726 15．3．2 配置选项 727 15．3．3 时间表示 727 15．3．4 用于时间管理的对象 728 15．4 高分辨率定时器 736 15．4．1 数据结构 736 15．4．2 设置定时器 740 15．4．3 实现 740 15．4．4 周期时钟仿真 745 15．4．5 切换到高分辨率定时器 746 15．5 动态时钟 747 15．5．1 数据结构 747 15．5．2 低分辨率系统下的动态时钟 749 15．5．3 高分辨率系统下的动态时钟 751 15．5．4 停止和启动周期时钟 752 15．6 广播模式 755 15．7 定时器相关系统调用的实现 756 15．7．1 时间基准 756 15．7．2 alarm和setitimer系统调用 757 15．7．3 获取当前时间 758 15．8 管理进程时间 759 15．9 小结 760 第 16章 页缓存和块缓存 761 16．1 页缓存的结构 762 16．1．1 管理和查找缓存的页 762 16．1．2 回写修改的数据 763 16．2 块缓存的结构 764 16．3 地址空间 766 16．3．1 数据结构 766 16．3．2 页树 768 16．3．3 地址空间操作 771 16．4 页缓存的实现 774 16．4．1 分配页 774 16．4．2 查找页 775 16．4．3 在页上等待 776 16．4．4 对整页的操作 777 16．4．5 页缓存预读 778 16．5 块缓存的实现 781 16．5．1 数据结构 782 16．5．2 操作 783 16．5．3 页缓存和块缓存的交互 783 16．5．4 独立的缓冲区 787 16．6 小结 792 第 17章 数据同步 793 17．1 概述 793 17．2 pdflush机制 795 17．3 启动新线程 796 17．4 线程初始化 796 17．5 执行实际工作 798 17．6 周期性刷出 798 17．7 相关的数据结构 799 17．7．1 页状态 799 17．7．2 回写控制 800 17．7．3 可调参数 802 17．8 中央控制 802 17．9 超级块同步 804 17．10 inode同步 804 17．10．1 遍历超级块 805 17．10．2 考察超级块inode 805 17．10．3 回写单个inode 807 17．11 拥塞 809 17．11．1 数据结构 809 17．11．2 阈值 810 17．11．3 拥塞状态的设置和清除 811 17．11．4 在拥塞队列上等待 812 17．12 强制回写 813 17．13 膝上模式 814 17．14 用于同步控制的系统调用 815 17．15 完全同步 815 17．15．1 inode的同步 816 17．15．2 单个文件的同步 818 17．15．3 内存映射的同步 819 17．16 小结 820 第 18章 页面回收和页交换 821 18．1 概述 821 18．1．1 可换出页 822 18．1．2 页颠簸 822 18．1．3 页交换算法 823 18．2 Linux内核中的页面回收和页交换 824 18．2．1 交换区的组织 824 18．2．2 检查内存使用情况 825 18．2．3 选择要换出的页 825 18．2．4 处理缺页异常 826 18．2．5 缩减内核缓存 826 18．3 管理交换区 826 18．3．1 数据结构 827 18．3．2 创建交换区 830 18．3．3 激活交换区 831 18．4 交换缓存 834 18．4．1 标识换出页 835 18．4．2 交换缓存的结构 838 18．4．3 添加新页 839 18．4．4 搜索一页 843 18．5 数据回写 844 18．6 页面回收 845 18．6．1 概述 845 18．6．2 数据结构 847 18．6．3 确定页的活动程度 850 18．6．4 收缩内存域 853 18．6．5 隔离LRU页和集中回收 856 18．6．6 收缩活动页链表 859 18．6．7 回收不活动页 862 18．7 交换令牌 867 18．8 处理交换缺页异常 870 18．8．1 换入页 870 18．8．2 读取数据 872 18．8．3 交换预读 873 18．9 发起内存回收 873 18．9．1 用kswapd进行周期性内存回收 873 18．9．2 在严重内存不足时换出页 877 18．10 收缩其他缓存 878 18．10．1 数据结构 878 18．10．2 注册和删除收缩器 879 18．10．3 收缩缓存 879 18．11 小结 880 第 19章 审计 882 19．1 概述 882 19．2 审计规则 883 19．3 实现 884 19．3．1 数据结构 884 19．3．2 初始化 889 19．3．3 处理请求 890 19．3．4 记录事件 891 19．3．5 系统调用审计 893 19．4 小结 898 附录A 体系结构相关知识 899 A．1 概述 899 A．2 数据类型 900 A．3 对齐 900 A．4 内存页面 900 A．5 系统调用 901 A．6 字符串处理 901 A．7 线程表示 902 A．8 位操作和字节序 914 A．9 页表 916 A．10 杂项 916 A．11 小结 918 附录B 使用源代码 919 B．1 内核源代码的组织 919 B．2 用Kconfig进行配置 920 B．3 用Kbuild编译内核 930 B．4 有用的工具 935 B．5 调试和分析内核 942 B．6 用户模式Linux 945 B．7 小结 946 附录C 有关C语言的注记 947 C．1 GNU C编译器如何工作 947 C．2 内核的标准数据结构和技术 967 C．3 小结 984 附录D 系统启动 985 D．1 IA-32系统上与体系结构相关的设置 985 D．2 高层初始化 986 D．3 小结 998 附录E ELF二进制格式 999 E．1 布局和结构 999 E．2 内核中的数据结构 1006 E．3 小结 1018 附录F 内核开发过程 1019 F．1 简介 1019 F．2 内核代码树和开发的结构 1019 F．3 补丁的结构 1024 F．4 Linux和学术界 1030 F．5 小结 1035 参考文献 1036 ==参考文献== [[Category:040 類書總論；百科全書總論]]
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