Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（原書第3版）

譯者序
序言
前言
作者簡(jiǎn)介
第1章　Linux內(nèi)核簡(jiǎn)介1
1.1　Unix的歷史1
1.2　追尋Linus足跡：Linux簡(jiǎn)介2
1.3　操作系統(tǒng)和內(nèi)核簡(jiǎn)介3
1.4　Linux內(nèi)核和傳統(tǒng)Unix內(nèi)核的比較5
1.5　Linux內(nèi)核版本7
1.6　Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)者社區(qū)8
1.7　小結(jié)8
第2章　從內(nèi)核出發(fā)10
2.1　獲取內(nèi)核源碼10
2.1.1　使用Git10
2.1.1　安裝內(nèi)核源代碼10
2.1.3　使用補(bǔ)丁11
2.2　內(nèi)核源碼樹(shù)11
2.3　編譯內(nèi)核12
2.3.1　配置內(nèi)核12
2.3.2　減少編譯的垃圾信息14
2.3.3　衍生多個(gè)編譯作業(yè) 14
2.3.4　安裝新內(nèi)核14
2.4　內(nèi)核開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)15
2.4.1　無(wú)libc庫(kù)抑或無(wú)標(biāo)準(zhǔn)頭文件15
2.4.2　GNU C16
2.4.3　沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制18
2.4.4　不要輕易在內(nèi)核中使用浮點(diǎn)數(shù)18
2.4.5　容積小而固定的棧18
2.4.6　同步和并發(fā)18
2.4.7　可移植性的重要性19
2.5　小結(jié)19
第3章　進(jìn)程管理20
3.1　進(jìn)程20
3.2　進(jìn)程描述符及任務(wù)結(jié)構(gòu) 21
3.2.1　?配進(jìn)程描述符22
3.2.2　進(jìn)程描述符的存放23
3.2.3　進(jìn)程狀態(tài)23
3.2.4　設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)25
3.2.5　進(jìn)程上下文25
3.2.6　進(jìn)程家族樹(shù)25
3.3　進(jìn)程創(chuàng)建26
3.3.1　寫時(shí)拷貝27
3.3.2　fork()27
3.3.3　vfork()28
3.4　線程在Linux中的實(shí)現(xiàn)28
3.4.1　創(chuàng)建線程29
3.4.2　內(nèi)核線程30
3.5　進(jìn)程終結(jié)31
3.5.1　刪除進(jìn)程描述符32
3.5.2　孤兒進(jìn)程造成的進(jìn)退維谷32
3.6　小結(jié)34
第4章　進(jìn)程調(diào)度35
4.1　多任務(wù)35
4.2　Linux 的進(jìn)程?度36
4.3　策略36
4.3.1　I/O消耗型和處理器消耗型的進(jìn)程36
4.3.2　進(jìn)程優(yōu)先級(jí)37
4.3.3　時(shí)間片38
4.3.4　調(diào)度策略的活動(dòng)38
4.4　Linux調(diào)度算法39
4.4.1　調(diào)度器類39
4.4.2　Unix 系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度40
4.4.3　公平調(diào)度41
4.5　Linux調(diào)度的實(shí)現(xiàn)42
4.5.1　時(shí)間記賬42
4.5.2　進(jìn)程選擇44
4.5.3　調(diào)度器入口48
4.5.4　睡眠和喚醒49
4.6　搶占和上下文切換51
4.6.1　用戶搶占53
4.6.2　內(nèi)核搶占53
4.7　實(shí)時(shí)調(diào)度策略54
4.8　?調(diào)度相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用54
4.8.1　與調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用55
4.8.2　與處理器綁定有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用55
4.8.3　放棄處理器時(shí)間56
4.9　小結(jié)56
第5章　系統(tǒng)調(diào)用57
5.1　與內(nèi)核通信57
5.2　API、POSIX和C庫(kù)57
5.3　系統(tǒng)調(diào)用58
5.3.1　系統(tǒng)調(diào)用號(hào)59
5.3.2　系統(tǒng)調(diào)用的性能59
5.4　系統(tǒng)調(diào)用處理程序60
5.4.1　指定恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)調(diào)用60
5.4.2　參數(shù)傳遞60
5.5　系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)61
5.5.1　實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用61
5.5.2　參數(shù)驗(yàn)證62
5.6　系統(tǒng)調(diào)用上下文64
5.6.1　綁定一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的最后步驟65
5.6.2　從用戶空間訪問(wèn)系統(tǒng)調(diào)用67
5.6.3　為什么不通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)68
5.7　小結(jié)68
第6章　內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)69
6.1　鏈表69
6.1.1　單向鏈表和雙向鏈表69
6.1.2　環(huán)形鏈表70
6.1.3　沿鏈表移動(dòng)71
6.1.4　Linux 內(nèi)核中的實(shí)現(xiàn)71
6.1.5　操作鏈表73
6.1.6　遍歷鏈表75
6.2　隊(duì)列78
6.2.1　kfifo79
6.2.2　創(chuàng)建隊(duì)列79
6.2.3　推入隊(duì)列數(shù)據(jù)79
6.2.4　摘取隊(duì)列數(shù)據(jù)80
6.2.5　獲取隊(duì)列?度80
6.2.6　重置和撤銷隊(duì)列80
6.2.7　隊(duì)列使用舉例 81
6.3　映射 81
6.3.1　初始化一個(gè)idr82
6.3.2　分配一個(gè)新的UID82
6.3.3　查找UID83
6.3.4　刪除UID84
6.3.5　撤銷idr84
6.4　二叉樹(shù)84
6.4.1　二叉搜索樹(shù)84
6.4.2　自平衡二叉搜索樹(shù) 85
6.5　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及選擇 87
6.6　算法復(fù)雜度88
6.6.1　算法88
6.6.2　大o 符號(hào)88
6.6.3　大θ符號(hào)89
6.6.4　時(shí)間復(fù)雜度89
6.7　小結(jié) 90
第7章　中斷和中斷處理91
7.1　中?91
7.2　中斷處理程序92
7.3　上半部與下半部的對(duì)比93
7.4　注冊(cè)中斷處理程序93
7.4.1　中斷處理程序標(biāo)志94
7.4.2　一個(gè)中斷例子95
7.4.3　釋放中斷處理程序95
7.5　編寫中斷處理程序96
7.5.1　共享的中斷處理程序97
7.5.2　中斷處理程序?qū)嵗?7
7.6　中斷上下文99
7.7　中斷處理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)100
7.8　/proc/interrupts102
7.9　中斷控制103
7.9.1　禁止和激活中斷103
7.9.2　禁止指定中斷線105
7.9.3　中斷系統(tǒng)的狀態(tài)105
7.10　小結(jié)106
第8章　下半部和推后執(zhí)行的工作107
8.1　下半部107
8.1.1　為什么要用下半部108
8.1.2　下半部的環(huán)境108
8.2　軟中斷110
8.2.1　軟中斷的實(shí)現(xiàn)111
8.2.2　使用軟中斷113
8.3　tasklet114
8.3.1　tasklet的實(shí)現(xiàn)114
8.3.2　使用tasklet116
8.3.3　老的BH機(jī)制119
8.4　工作隊(duì)列120
8.4.1　工作隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)121
8.4.2　使用工作隊(duì)列124
8.4.3　老的任務(wù)隊(duì)列機(jī)制126
8.5　下半部機(jī)制的選擇127
8.6　在下半部之間加鎖128
8.7　禁止下?部128
8.8　小結(jié)129
第9章　內(nèi)核同步介紹131
9.1　臨界區(qū)和競(jìng)爭(zhēng)條件131
9.1.1　為什么我們需要保護(hù)132
9.1.2　單個(gè)變量133
9.2　加鎖134
9.2.1　造成并發(fā)執(zhí)行的原因135
9.2.2　了解要保護(hù)些什么136
9.3　死鎖137
9.4　爭(zhēng)用和擴(kuò)展性138
9.5　小結(jié)140
第10章　內(nèi)核同步方法141
10.1　原子操作141
10.1.1　原子整數(shù)操作142
10.1.2　64位原子操作144
10.1.3　原子位操作145
10.2　自旋鎖147
10.2.1　自旋鎖方法148
10.2.2　其他針對(duì)自旋鎖的操作149
10.2.3　自旋鎖和下半部150
10.3　讀-寫自旋鎖150
10.4　信號(hào)量152
10.4.1　計(jì)數(shù)信號(hào)量和二值信號(hào)量153
10.4.2　創(chuàng)建和初始化信號(hào)量154
10.4.3　使用信號(hào)量154
10.5　讀-寫信號(hào)量155
10.6　互斥體156
10.6.1　信號(hào)量和互斥體158
10.6.2　自旋鎖和互斥體158
10.7　完成變量158
10.8　BLK：大內(nèi)核鎖159
10.9　順序鎖160
10.10　禁止搶占161
10.11　順序和屏障162
10.12　小結(jié)165
第11章　定時(shí)器和時(shí)間管理166
11.1　內(nèi)核中的時(shí)間概念166
11.2　節(jié)拍率：HZ167
11.2.1　理想的HZ值168
11.2.2　高HZ的優(yōu)勢(shì)169
11.2.3　高HZ的劣勢(shì)169
11.3　jiffies170
11.3.1　jiffies的內(nèi)部表示171
11.3.2　jiffies 的回繞172
11.3.3　用戶空間和HZ173
11.4　硬時(shí)鐘和定時(shí)器174
11.4.1　實(shí)時(shí)時(shí)鐘174
11.4.2　系統(tǒng)定時(shí)器174
11.5　時(shí)鐘中斷處理程序174
11.6　實(shí)際時(shí)間176
11.7　定時(shí)器178
11.7.1　使用定時(shí)器178
11.7.2　定時(shí)器競(jìng)爭(zhēng)條件180
11.7.3　實(shí)現(xiàn)定時(shí)器180
11.8　延遲執(zhí)行181
11.8.1　忙等待181
11.8.2　短延遲182
11.8.3　schedule_timeout()183
11.9　小結(jié)185
第12章　內(nèi)存管理186
12.1　頁(yè)186
12.2　區(qū)187
12.3　獲得頁(yè)189
12.3.1　獲得填充為0的頁(yè)190
12.3.2　釋放頁(yè)191
12.4　kmalloc()191
12.4.1　gfp_mask標(biāo)志192
12.4.2　kfree()195
12.5　vmalloc()196
12.6　slab層197
12.6.1　slab層的設(shè)計(jì)198
12.6.2　slab分配器的接口200
12.7　在棧上的靜態(tài)分配203
12.7.1　單頁(yè)內(nèi)核棧203
12.7.2　在棧上光明正大地工作203
12.8　高端內(nèi)存的映射204
12.8.1　永久映射204
12.8.2　臨時(shí)映射204
12.9　每個(gè)CPU的分配205
12.10　新的每個(gè)CPU接口206
12.10.1　編譯時(shí)的每個(gè)CPU數(shù)據(jù)206
12.10.2　運(yùn)行時(shí)的每個(gè)CPU數(shù)據(jù)207
12.11　使用每個(gè)CPU數(shù)據(jù)的原因208
12.12　分配函數(shù)的選擇209
12.13　小結(jié)209
第13章　虛擬文件系統(tǒng)210
13.1　通用文件系統(tǒng)接口210
13.2　文件系統(tǒng)抽象層211
13.3　Unix文件系統(tǒng)212
13.4　VFS 對(duì)象及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)213
13.5　超級(jí)塊對(duì)象214
13.6　超級(jí)塊操作215
13.7　索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象217
13.8　索引節(jié)點(diǎn)操作219
13.9　目錄項(xiàng)對(duì)象222
13.9.1　目錄項(xiàng)狀態(tài)222
13.9.2　目錄項(xiàng)緩存223
13.10　目錄項(xiàng)操作224
13.11　文件對(duì)象225
13.12　文件操作226
13.13　和文件系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)230
13.14　和進(jìn)程相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)232
13.15　小結(jié)233
第14章　塊I/O層234
14.1　剖析一個(gè)塊設(shè)備234
14.2　緩沖區(qū)和緩沖區(qū)頭235
14.3　bio結(jié)構(gòu)體237
14.3.1　I/O向量238
14.3.2　新老方法對(duì)比239
14.4　請(qǐng)求隊(duì)列240
14.5　I/O調(diào)度程序240
14.5.1　I/O調(diào)度程序的工作241
14.5.2　Linus 電梯241
14.5.3　最終期限I/O調(diào)度程序242
14.5.4　預(yù)測(cè)I/O調(diào)度程序244
14.5.5　完全公正的排隊(duì)I/O調(diào)度程序244
14.5.6　空操作的I/O調(diào)度程序245
14.5.7　I/O調(diào)度程序的選擇245
14.6　小結(jié)246
第15章　進(jìn)程地址空間247
15.1　地址空間247
15.2　內(nèi)存描述符248
15.2.1　分配內(nèi)存描述符249
15.2.2　撤銷內(nèi)?描述符250
15.2.3　mm_struct 與內(nèi)核線程250
15.3　虛擬內(nèi)存區(qū)域251
15.3.1　VMA標(biāo)志251
15.3.2　VMA 操作253
15.3.3　內(nèi)存區(qū)域的樹(shù)型結(jié)構(gòu)和內(nèi)存區(qū)域的鏈表結(jié)構(gòu)254
15.3.4　實(shí)際使用中的內(nèi)存區(qū)域254
15.4　操作內(nèi)存區(qū)域255
15.4.1　find_vma()256
15.4.2　find_vma_prev()257
15.4.3　find_vma_intersection()257
15.5　mmap()和do_mmap()：創(chuàng)建地址區(qū)間258
15.6　mummap()和do_mummap()：刪除地址區(qū)間259
15.7　頁(yè)表260
15.8　小結(jié)261
第16章　頁(yè)高速緩存和頁(yè)回寫262
16.1　緩存手段262
16.1.1　寫緩存262
16.1.2　緩存回收263
16.2　Linux 頁(yè)高速緩存264
16.2.1　address_space對(duì)象264
16.2.2　address_space 操作266
16.2.3　基樹(shù)267
16.2.4　以前的頁(yè)散列表268
16.3　緩沖區(qū)高速緩存268
16.4　flusher線程268
16.4.1　膝上型計(jì)算機(jī)模式270
16.4.2　歷史上的bdflush、kupdated 和pdflush270
16.4.3　避免擁塞的方法：使用多線程271
16.5　小結(jié)271
第17章　設(shè)備與模塊273
17.1　設(shè)?類型273
17.2　模塊274
17.2.1　Hello，World274
17.2.2　構(gòu)建模塊275
17.2.3　安裝模塊277
17.2.4　產(chǎn)生模塊依賴性277
17.2.5　載入模塊278
17.2.6　管理配置選項(xiàng)279
17.2.7　模塊參數(shù)280
17.2.8　導(dǎo)出符號(hào)表282
17.3　設(shè)備模型283
17.3.1　kobject283
17.3.2　ktype284
17.3.3　kset285
17.3.4　kobject、ktype和kset的相互關(guān)系285
17.3.5　管理和操作kobject286
17.3.6　引用計(jì)數(shù)287
17.4　sysfs288
17.4.1　sysfs中添加和刪除kobject 290
17.4.2　向sysfs中添加文件291
17.4.3　內(nèi)核事件層293
17.5　小結(jié)294
第18章　調(diào)試295
18.1　準(zhǔn)備開(kāi)始295
18.2　內(nèi)核中的bug296
18.3　通過(guò)打印來(lái)調(diào)試296
18.3.1　健壯性296
18.3.2　日志等級(jí)297
18.3.3　記錄緩沖區(qū)298
18.3.4　syslogd和klogd298
18.3.5　從printf()到printk()的轉(zhuǎn)換298
18.4　oops298
18.4.1　ksymoops300
18.4.2　kallsyms300
18.5　內(nèi)核調(diào)試配置選項(xiàng)301
18.6　引發(fā)bug并打印信息301
18.7?神奇的系統(tǒng)請(qǐng)求鍵302
18.8　內(nèi)核調(diào)試器的傳奇303
18.8.1　gdb303
18.8.2　kgdb304
18.9　探測(cè)系統(tǒng)304
18.9.1　用UID作為選擇條件304
18.9.2　使用條件變量305
18.9.3　使用統(tǒng)計(jì)量305
18.9.4　重復(fù)頻率限制305
18.10　用二分查找法找出引發(fā)罪惡的變更306
18.11　使用Git進(jìn)行二分搜索307
18.12　當(dāng)所有的努力都失敗時(shí)：社區(qū)308
18.13　小結(jié)308
第19章　可移植性309
19.1　可移植操作系統(tǒng)309
19.2　Linux移植史310
19.3　字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)類型311
19.3.1　不透明類型313
19.3.2　指定數(shù)據(jù)類型314
19.3.3　長(zhǎng)度明確的類型314
19.3.4　char型的符號(hào)問(wèn)題315
19.4　數(shù)據(jù)對(duì)齊315
19.4.1　避免對(duì)齊引發(fā)的問(wèn)題316
19.4.2　非標(biāo)準(zhǔn)類型的對(duì)齊316
19.4.3　結(jié)構(gòu)體填補(bǔ)316
19.5　字節(jié)順序318
19.6　時(shí)間319
19.7　頁(yè)長(zhǎng)度320
19.8　處理器排序320
19.9　SMP、內(nèi)核搶占、高端內(nèi)存321
19.10　小結(jié)321
第20章　補(bǔ)丁、開(kāi)發(fā)和社區(qū)322
20.1　社區(qū)322
20.2　Linux編碼風(fēng)格322
20.2.1　縮進(jìn)323
20.2.2　switch 語(yǔ)句323
20.2.3　空格324
20.2.4　花括號(hào)325
20.2.5　每行代碼的長(zhǎng)度326
20.2.6　命名規(guī)范326
20.2.7　函數(shù)326
20.2.8　注釋326
20.2.9　typedef327
20.2.10　多用現(xiàn)成的東西328
20.2.11　在源碼中減少使用ifdef328
20.2.12　結(jié)構(gòu)初始化328
20.2.13　代碼的事后修正329
20.3　管理系統(tǒng)329
20.4　提交錯(cuò)誤報(bào)告329
20.5　補(bǔ)丁330
20.5.1　創(chuàng)建補(bǔ)丁330
20.5.2　用Git創(chuàng)建補(bǔ)丁331
20.5.3　提交補(bǔ)丁331
20.6　小結(jié)332
參考資料333