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第pan>章简介和概述

1.pan>内核的任务

1.2实现策略

1.3内核的组成部分

1.3.pan>

1.3.2UNIX

1.3.3地址空间与

1.3.4页表

1.3.5物理内存的分配

1.3.6计时

1.3.7系统调用

1.3.8设备驱动程序、块设备和字符设备…

1.3.9网络…

1.3.10文件系统

1.3.1pan>模块和热插拔

1.3.12缓存…

1.3.13 链表处理…

1.3.14对象管理和引用·

1.3.15数据类型…

1.3.16本书的局限…

1.4为什么内核是的…

1.5行文注记

1.6小结

第2程管理和调度

2.pan>

2.2

2.3

2.3.pan>

2.3.2命名空间

2.3.3ID号

2.3.4

2.4

2.4.pan>

2.4.2内核线程

2.4.3启动新程序

2.4.4退程

2.5调度器的实现

2.5.pan>概观

2.5.2数据结构

2.5.3处理优先级

2.5.4核心调度器

2.6公平调度类

2.6.pan>数据结构

2.6.2CFS操作

2.6.3队列操作

2.6.4选择下一程

2.6.5处理周期调度器

2.6.6唤醒抢占

2.6.7处理程

2.7实时调度类

2.7.pan>质

2.7.2数据结构

2.7.3调度器操作

2.8调度器

2.8.1 SMP调度

2.8.2调度域和控制组

2.8.3内核抢占和低延迟相关工作…

2.9小结

第3章内存管理

3.pan>概述

3.2（N）UMA模型中的内存组织

3.2.1 概述

3.2.2数据结构

3.3页表…

3.3.pan>数据结构

3.3.2页表项的创建和操作

3.4初始化内存管理

3.4.pan>建立数据结构

3.4.2特定于体系结构的设置

3.4.3 启动过程期间的内存管理………pan>

3.5物理内存的管理

3.5.pan>伙伴系统的结构

3.5.2避免碎片

3.5.3初始化内存域和结点数据结构…

3.5.4分配器API·

3.5.5分配页

3.5.6释放页

3.5.7内核中不连续页的分配………

3.5.8·

3.6 分配器

3.6.pan>备选分配器

3.6.2内核中的内存管理·

3.6.3 分配的原理…

3.6.4实现

3.6.5通用缓存

3.7 处理器高速缓存和TLB控制………

3.8小结

第4程虚拟内存

4.pan>简介

4.2

4.2.pan>

4.2.2建立布局

4.3的原理

4.4数据结构

4.4.pan>树和链表

4.4.2虚拟内存区域的表示……

4.4.3优先查找树·

4.5对区域的操作

4.5.1 将虚拟地址关联到区域……

4.5.2区域合并

4.5.3插入区域

4.5.4创建区域

4.6地址空间

4.7

4.7.pan>创建映射

4.7.2删除映射

4.7.3非线映射

4.8反向映射

4.8.pan>数据结构

4.8.2建立逆向映射

4.8.3使用逆向映射

4.9堆的管理

4.10缺页异常的处理

4.1pan>用户空间缺页异常的校正

4.11.pan>按需分配/调页

4.11.2 匿名页

4.11.3写时

4.11.4获取非线映射

4.12内核缺页异常

4.13在内核和用户空间之间数据

4.14小结

第5章锁程间通信

5.pan>控制机制

5.1.pan>竞态条件

5.1.2临界区

5.2内核锁机制

5.2.pan>对整数的原子操作

5.2.2自旋锁

5.2.3信号量

5.2.4RCU机制

5.2.5内存和优化屏障

5.2.6 读者/写者锁

5.2.7大内核锁

5.2.8互斥量

5.2.9 近似的per-CPU器

5.2.10锁竞争与细粒度锁

5.3System V

5.3.1 System V 机制

5.3.2 信号量

5.3.3消息队列

5.3.4共享内存

5.4 其他IPC机制

5.4.1 信号

5.4.2管道和套接字

5.5小结

第6章设备驱动程序

6.1 I/O体系结构

6.2访问设备

6.2.pan>设备文件

6.2.2字符设备、块设备和其他设备…317

6.2.3使用ioctl

6.2.4主从设备号的表示

6.2.5 注册

6.3与文件系统关联

6.3.1inode中的设备文件成员

6.3.2标准文件操作

6.3.3用于字符设备的标准操作

6.3.4用于块设备的标准操作

6.4字符设备操作

6.4.pan>表示字符设备

6.4.2打开设备文件

6.4.3读写操作

6.5块设备操作

6.5.pan>块设备的表示

6.5.2数据结构

6.5.3向系统添加磁盘和分区

6.5.4打开块设备文件

6.5.5请求结构

6.5.6BIO

6.5.7提交请求

6.5.8I/O调度

6.5.9 ioctl的实现

6.6资源分配

6.6.pan>资源管理

6.6.2I/O内存

6.6.3I/O端口

6.7

6.7.pan>通用驱动程序模型

6.7.2 PCI

6.7.3 USB

6.8小结

……

18.10.2注册和删除收缩器

18.10.3 收缩缓存

18.1pan>小结

第19章审计

19.pan>概述

19.2审计规则

19.3实现

19.3.pan>数据结构

19.3.2初始化·

19.3.3处理请求

19.3.4记录事件

19.3.5系统调用审计

19.4小结

附录A体系结构相关知识

A.pan>概述

A.2数据类型

A.3对齐

A.4内存页面

A.5系统调用

A.6字符串处理

A.7线程表示

A.8 位操作和字节序

A.9页表·

A.10杂项

A.1pan>小结

附录B使用源代码

B.pan>内核源代码的组织

B.2 用Kconfig

B.3 用Kbuild 编译内核

B.4有用的工具

B.5调试和分析内核

B.6 用户模式Linux

B.7小结

附录C有关C语言的注记

C.1 GNU C编译器如何工作

C.2内核的标准数据结构和技术

C.3小结

附录D系统启动

D.1 IA-32系统上与体系结构相关的设置

D.2高层初始化

D.3小结

附录E ELF制格式

E.pan>布局和结构

E.2内核中的数据结构

E.3小结

附录F内核开发过程

F.pan>简介

F.2内核代码树和开发的结构

F.3补丁的结构

F.4 Linux和学术界

F.5小结

参考文献

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第

pan>

章简介和概述

操

作系统不仅是信息技术中吸引人的一部分，而且还是公众争论的主题

?

。在此发展过程中，

Linux

发挥了举足轻重的作用。然而仅仅

10

年前，学术用操作系统和商用操作系统还是有着严格区分的：前者相对简单而日可茶得源代码

.

对后者而言，虽然不同的操作系统能各不相同，但其源代码一直都是受到良好保护的秘密。现在，任何人都可以从因特网下载

Linux

（或任何其他自由操作系统）的源代行研究。

Linux

现在已经安装到了数百万台电脑上，无论是家庭用户还是专业人员，都可以在

Linux

上执行各种任务。无论是手表中的微型嵌入式系统，还是大规模并行大型机，

Linux

都可以在无数领域大展身手。而这使得

Linux

的源代码有趣。一个合理可靠、基础牢固的概念（

UNIX

操作系统）结合了强大的创新以及学术操作系统所缺乏的解决问题的强烈倾向，这是为什么

Linux

具备如此强大吸引力的原因。

本书描述了内核的主能，解释了其内部的结构，并研究了其实现。由于所讨论主题的复杂，我假定读者已经对操作系统和

C

语言系统程序设计有的基础（当然，对

Linux

系统的熟悉是不言而喻的）。我会简要介绍与常见操作系统问题相关的几个基础概念，但本书主要的内容则集中于

Linux

内核的实现。市场上有许多讲述操作系统基础概念的教材，对某一特定主题不熟悉的读者，可以找一本看看。例如，

Tanenbaum

写的两本的入门书籍（

[TW06]

和

[Tan07]

）。

本书要求读者有牢固的

C

语言程序设计基础。因为内核使用了

C

语言的许多技巧，尤其是

GNUC

编译器的许多专门特。附录

C

讨论了

C

语言的一些精微之处，即使的程序员可能也未必熟悉这些。由于

Linux

必然与系统硬件（是

CPU

）有直接的交互，因此了解一点计算机结构的基础知识是很有用的。该主题也有很多入门书籍可用，在参考文献章节中列出了一些相关书籍。在深入讲解

CPU

的知识时（大多数情况下，我都以

IA-32

或

AMD64

体系结构为例，因为

Linux

在这些体系结构上很常用），我会解释相关硬件的细节。在讨论不常见的机制时，我会解释机制背后的一般概念，但对于某个特定的特如何在用户空间中使用，则需要读者查询书中指明的手册页。

本章将概述内核所涉及的各种领域，并在后续章节中对相应的子系行长篇阐述之前，先行说明其基本关系。

由于内核的演变比较快速，读者很自然会问本书内容涵盖了哪一个内核版本。我选择了

2.6.24

版

本的内核，该版本发布于

08

年

pan>

月末。内核开发的动态意味着，在阅读本书时，本的内核应该已经发布，所以某些细节很自然会有所改变，这是不可避免的。如果不是这样，那

Linux

将会成为一个死气沉沉、毫无乐趣的系统，读者也很可能不会选择本书了。尽管一些细节将会发生变化，但书中描述的概念在本质上是不变的。对于

2.6.24

版本来说，这一点正确。因为与更早的版本比较，该版本有一些根本的改动。很自然，也无法隔一夜折腾一些此类来。

1.pan>

内核的任务

在纯技术层面上，内核是硬件与软件之间的一个中间层。其作用是将应用程序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组行寻址。尽管如此，仍然可以从其他一些有趣的视角对内行研究。

口从应用程序的视角来看，内核可以被认为是一台的计算机，将计算机抽象到一个高层次上。例如，在内核寻址硬盘时，它必须确定使用哪个路径来从磁盘向内存数据，数据的位置，经由哪个路径向磁盘发送哪一条命令，等等。另一方面，应用程序只需发出传输数据的命令。实际的工作如何完成与应用程序是不相干的，因为内核抽象了相关的细节。应用程序与硬件本身没有联系

?

，只与内核有联系，内核是应用程序所知道的层次结构中的底层，因此内核是一台的计算机。

口当若干程序在同一系统中并发运行时，也可以将内核视为资源管理程序。在这种情况下，内核负责将可用共享资源括

CPU

时间、磁盘空间、网络连接等）分配到各个系程，同时还需要保证系统的完整。

口另一种研究内核的视角是将内核视为库，其提供了一组面向系统的命令。通常，系统调用用于向计算机发送请求。借助于

C

标准库，系统调用对于应用程序像是普通函数一样，其调用方式与其他函数相同。

1.2

实现策略

当前，在操作系统实现方面，有以下两种主要的范型。

（

pan>

）微内核：这种范型中，只有基本能直接由中央内核（即微内核）实现。所有其他能都委托给一些独程，这程通过明确定义的通信接口与中心内核通信。例如，独程可能负责实现各种文件系统、内存管理等。（当然，与系统本身的通信需要用到基本的内存管能，这是由微内核实现的。但系统调用层次上的处理则由外部的服务程实现。）理论上，这是一种很的方法，因为系统的各个部分彼此都很清楚地划分开来，同时也迫使程序员使用“清洁的”程序设计技术。这种方法的其他好括：动态可扩展和在运行时切换重要组件。但由于在各个组件之间支持复杂通信需要额外的

CPU

时间，所以尽管微内核在各种研究领域早已经成为活跃主题，但在实用方展甚微。

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