深入Linux内核架构PDF电子书下载

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