Linux技术内幕

作者简介

本书内容分成两篇，篇是基本框架，第二篇是文件系统及相关内容。在篇的各章中：第1章先对Linux进行简要介绍并给出本书分析时所用的模型；第2章从C语言程序、可执行文件到进程的虚存空间影像的全过程作为起点，给读者建立起进程用户空间管理的概念；然后第3章讨论物理页帧如何支撑这些虚存空间，并且讨论了与物理空间一致的内核空间的管理；接着第4章就是进程的概念、进程的组织、进程切换和进程的创建撤销等活动；第5章专门讨论进程调度和负载均衡问题；后面4章继续讨论进程间通信、系统调用、内核的并发活动和同步问题。第二篇开始讨论盘根错节的文件系统：先在第10章分析文件系统和VFS的基本概念；然后在第11章讨论页高速缓存及块缓存；第12章分析了VFS的通用文件访问操作；第13章讨论ext2文件系统的具体格式和操作细节；接着第14章讨论同步；第15章讨论内存回收问题；后第16章和第17章讨论设备管理和块设备问题。

本书以内存模型和时空模型为主要参考来分析各章的相关内容，给出了比较直观的图示，这不仅对初学者非常有用，对希望了解Linux内核的读者和相关开发人员也非常有参考价值。

书籍目录

第1章  Linux内核概述 3



1.1  UNIX与Linux 3



1.1.1  UNIX 3



1.1.2  Linux 3



1.1.3  宏内核与微内核 6



1.1.4  Linux内核源码及版本 6



1.2  Linux内核模型 11



1.2.1  多视角下的内核 11



1.2.2  功能模型 14



1.2.3  内存模型 15



1.2.4  时空模型 16



1.2.5  特权模型 17



1.3  本书局限性 18



小结 18



第2章  进程影像 20



2.1  从源代码到进程 20



2.1.1  源代码、目标文件 20



2.1.2  可执行文件与进程影像 26



2.2  proc中的进程 32



2.2.1  进程内存空间 32



2.2.2  进程运行状态等信息 33



2.3  进程空间 35



2.3.1  进程空间描述符 36



2.3.2  虚存区域VMA 40



2.3.3  VMA属性 45



2.4  ELF可执行文件装入过程 48



2.4.1  ELF装入函数 49



2.4.2  ELF格式 49



2.5  进程空间的动态变化 54



2.5.1  VMA上的操作 54



2.5.2  文件映射 55



2.5.3  堆的调整 58



2.5.4  栈的变化 60



2.6  并发的进程空间 60



小结 61



第3章  虚拟空间的物理支撑 63



3.1  物理内存组织与管理 64



3.1.1  节点与内存域 64



3.1.2  物理页帧 79



3.1.3  buddy系统 84



3.1.4  页帧迁移 94



3.1.5  内存热插拔 98



3.2  地址映射与页表 99



3.2.1  分页机制与页表 99



3.2.2  缺页异常 103



3.3  内核空间 104



3.3.1  一致映射与高端内存 104



3.3.2  一致内存分配 108



3.3.3  非一致内存分配 109



3.3.4  slub分配器 115



小结 130



第4章  进程组织与基础行为 131



4.1  进程组织管理 131



4.1.1  PCB进程控制块 131



4.1.2  命名空间 135



4.1.3  进程标识 141



4.1.4  进程间关系 148



4.1.5  进程资源限制 151



4.2  进程创建与撤销 152



4.2.1  进程创建 152



4.2.2  execve系统调用 159



4.2.3  内核线程 160



4.2.4  Linux进程树 162



4.2.5  进程的撤销 167



4.3  进程切换 167



4.3.1  切换时机 168



4.3.2  切换过程 169



4.3.3  切换示例 178



小结 181



第5章  进程调度与负载均衡 193



5.1  调度与均衡基本框架 193



5.2  进程状态与转换 194



5.2.1  进程调度状态 194



5.2.2  进程状态变迁 196



5.3  进程调度 198



5.3.1  调度框架 198



5.3.2  完全公平调度 215



5.3.3  实时调度 230



5.3.4  STOP和IDLE调度类 234



5.3.5  调度控制与proc接口 236



5.4  负载均衡 241



5.4.1  处理器层次结构 242



5.4.2  调度的层次管理 243



5.4.3  CFS任务的负载均衡 250



5.4.4  实时负载均衡 254



小结 258



第6章  进程间通信与同步 259



6.1  管道通信 260



6.1.1  无名管道 260



6.1.2  命名管道 261



6.1.3  管道数据结构 261



6.1.4  管道操作 266



6.2  System V IPC 269



6.2.1  IPC标识与命名空间 269



6.2.2  IPC公共框架 275



6.2.3  IPC信号量 279



6.2.4  IPC消息队列 283



6.2.5  IPC共享内存 287



6.3  信号 290



6.3.1  信号分类 290



6.3.2  数据结构 294



6.3.3  信号产生与发送 302



6.3.4  信号的递交和处理 305



小结 312



第7章  内核活动 313



7.1  中断分类 313



7.1.1  x86的中断和异常 314



7.1.2  后半部机制与软中断 315



7.1.3  中断相关概念的关系 315



7.2  中断处理 316



7.2.1  中断号 317



7.2.2  中断描述符表 320



7.2.3  公共入口 325



7.2.4  异常处理 329



7.3  高层中断处理 332



7.3.1  转向高层处理 333



7.3.2  中断的高层数据结构 336



7.3.3  中断返回处理 342



7.3.4  中断的线程化 349



7.4  中断嵌套与中断管理 350



7.4.1  中断嵌套与中断上下文 350



7.4.2  中断管理 353



7.5  软中断和tasklet 355



7.5.1  中断的下半部 355



7.5.2  软中断执行时机 356



7.5.3  相关数据结构 360



7.5.4  软中断的执行 361



7.5.5  软中断的相关操作 363



7.5.6  tasklet 365



7.6  工作队列 369



7.6.1  工作队列机制 369



7.6.2  cmwq数据结构 371



7.6.3  工作项 371



7.6.4  cmwq工作队列 375



7.6.5  工作者池worker_pool 383



7.6.6  并发度、应急处理等 386



7.7  系统调用 388



7.7.1  POSIX API、C库和系统调用 388



7.7.2  系统调用的实现 389



小结 399



第8章  时间管理 400



8.1  时间管理框架 400



8.1.1  基本概念 400



8.1.2  时间中断和事件 406



8.1.3  clock_event_device与tick_device 407



8.1.4  TIMER_SOFTIRQ软中断 413



8.1.5  timekeeper 414



8.2  定时器 416



8.2.1  低分辨率定时器 416



8.2.2  高精度定时器 419



8.2.3  模拟tick事件 422



8.2.4  通知链技术 423



小结 424



第9章  内核并发与同步 426



9.1  同步的需求 426



9.1.1  内核并发情形 426



9.1.2  内核抢占 429



9.2  内核共享变量的保护 432



9.2.1  被保护对象 432



9.2.2  保护原则 433



9.2.3  禁止内核并发 435



9.3  内核同步手段 437



9.3.1  原子操作 437



9.3.2  自旋锁、读写锁和顺序锁 439



9.3.3  RCU机制 444



9.3.4  顺序和屏障 447



9.3.5  信号量与互斥量 448



9.3.6  等待队列与完成变量 452



9.3.7  每CPU变量 455



小结 458





第二篇  盘根错节的文件系统





第10章  文件系统 461



10.1  文件系统的抽象层次 461



10.1.1  进程视角下的文件 462



10.1.2  VFS虚拟文件系统 468



10.1.3  多角度分层模型 472



10.2  VFS核心对象 475



10.2.1  文件对象 475



10.2.2  目录项对象 479



10.2.3  索引节点对象 484



10.2.4  超级块对象 490



10.3  文件系统类型与挂载 495



10.3.1  文件系统类型与注册 495



10.3.2  挂载操作 503



10.3.3  挂载模式 513



10.3.4  特殊文件系统 519



小结 525



第11章  页缓存和块缓存 526



11.1  页高速缓存 527



11.1.1  address_space 528



11.1.2  页高速缓存的组织 530



11.1.3  反向映射 534



11.2  块高速缓存 540



11.2.1  块缓存 540



11.2.2  LRU块缓存 542



11.2.3  块缓存操作 543



小结 547



第12章  VFS的文件操作 548



12.1  VFS系统调用 548



12.2  open()与close()系统调用 549



12.2.1  open的框架 549



12.2.2  文件定位过程 552



12.2.3  close()系统调用 558



12.3  读/写系统调用 558



12.3.1  入口代码 560



12.3.2  通用write写例程 568



12.3.3  通用read读例程 570



12.3.4  其他读写细节 583



12.3.5  向BIO层提交请求 587



小结 588



第13章  ext2文件系统 590



13.1  ext2磁盘数据结构 590



13.1.1  磁盘分区的组织 590



13.1.2  块组描述符和位图 591



13.1.3  盘上和内存数据结构 592



13.2  ext2超级块 593



13.2.1  ext2超级块数据结构 593



13.2.2  挂载与访问 597



13.3  ext2索引节点 598



13.3.1  盘上ext2索引节点 599



13.3.2  内存ext2索引节点 601



13.3.3  inode_operations 603



13.3.4  ext2地址空间与文件操作 604



13.4  目录及目录项 607



13.4.1  ext2_dir_entry 607



13.4.2  ext2_lookup() 609



小结 610



第14章  页缓存同步（回写） 611



14.1  同步/回写、交换与回收 611



14.2  脏页同步（回写） 613



14.2.1  回写机制演变 613



14.2.2  同步时机与框架 615



14.2.3  基本数据结构 617



14.3  回写接口 627



14.3.1  sync系列系统调用 627



14.3.2  sys_sync() 628



14.3.3  sys_syncfs 633



14.3.4  单个文件的同步 635



14.3.5  被动回写 637



14.4  回写工作队列 638



14.4.1  初始化 638



14.4.2  工作队列处理函数 640



14.5  回写操作 643



14.5.1  do_writepages() 644



14.5.2  ext2_writepages() 645



14.5.3  回写等待 647



小结 649



第15章  内存回收与交换 650



15.1  页帧回收 650



15.1.1  直接释放 650



15.1.2  LRU页帧组织 651



15.1.3  PFRA回收算法 655



15.2  核心回收操作 659



15.2.1  shrink_zone() 659



15.2.2  shrink_slab() 666



15.2.3  解除页表映射 667



15.3  交换 667



15.3.1  交换功能 668



15.3.2  交换分区 668



15.3.3  交换缓存 673



小结 675



第16章  设备管理 676



16.1  设备管理组织 676



16.1.1  设备驱动模型 677



16.1.2  sysfs 678



16.1.3  基础组件 679



16.1.4  容器 682



16.2  设备的VFS接口 688



16.2.1  设备文件 689



16.2.2  从VFS中访问设备 691



16.3  字符设备 693



16.3.1  设备的散列组织 694



16.3.2  初始化与注册 695



16.3.3  打开字符设备 696



16.4  PCI设备 698



16.4.1  pci_bus_type和pci_bus 699



16.4.2  pci_driver 700



16.4.3  pci_dev 701



16.4.4  uevent 704



小结 705



第17章  块设备 706



17.1  基本概念 706



17.1.1  块设备层 706



17.1.2  传送单位 708



17.2  块设备层组件 709



17.2.1  磁盘与磁盘分区 709



17.2.2  块设备 712



17.2.3  请求队列 715



17.3  提交请求及处理 728



17.3.1  plug/unplug机制 728



17.3.2  提交请求 733



17.3.3  提交到驱动程序 742



17.3.4  硬盘的request_fn 744



17.3.5  中断处理 746



17.4  IO调度 749



17.4.1  IO调度器 749



17.4.2  调度器数据结构 751



17.5  初始化及注册 754



17.5.1  块设备初始化 754



17.5.2  硬盘初始化 759



小结 764



附录 765



后记 774

内容概要

罗秋明，男，1974年生。深圳大学计算机与软件学院副教授、硕士生导师，国家高性能计算中心深圳分中心科研人员。

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