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出版者:第1版 (2000年12月1日)

作者:李多多

出品人:

页数:927 页

译者:

出版时间:2000年12月1日

价格:85.0

装帧:精装

isbn号码:9787115089830

丛书系列:

图书标签:

• Windows 2000
• 编程
• API
• SDK
• C++
• Visual C++
• 系统编程
• Windows 核心编程
• COM
• 驱动开发
• 底层开发

《深入理解Linux内核架构与驱动开发实践》 本书导读： 在信息技术飞速发展的今天，操作系统作为支撑一切应用和服务的基石，其重要性不言而喻。尽管 Windows 系列操作系统在桌面领域占据重要地位，但基于 Unix-like 体系的 Linux 凭借其开源、稳定、高效以及极高的可定制性，在服务器、嵌入式系统、云计算和高性能计算等领域已经成为无可替代的主流选择。本书并非聚焦于特定版本的 Windows 操作系统（如 Windows 2000）的编程范畴，而是将目光投向了更为广阔、更具前瞻性的 Linux 内核世界。 本书旨在为那些希望从应用层视角深入到系统底层，理解操作系统核心机制的工程师、系统架构师、驱动开发者以及高级系统爱好者提供一本全面、深入且极具实践指导意义的参考手册。我们假设读者已经具备一定的 C 语言基础，并对计算机体系结构有基本的了解。 第一部分：Linux 内核基础与系统架构剖析 (Foundation & Architecture) 第一章：Linux 操作系统的演进与哲学 本章首先追溯了 Linux 的起源，从 Linus Torvalds 的早期工作到如今全球社区的协作模式。我们将深入探讨 GNU/Linux 生态系统的构成，强调其开源（GPL 协议）的理念如何影响了其开发和安全模型。我们将详细对比 Linux 与其他主流操作系统（包括早期 Windows NT 架构）在设计哲学上的根本差异，例如：单体内核（Monolithic Kernel）的设计选择及其带来的性能优势和模块化策略。 第二章：编译与引导过程的奥秘 内核的启动是理解系统如何“活过来”的关键。本章详细解析了从 BIOS/UEFI 固件启动、Bootloader（如 GRUB2）加载内核映像，到内核解压并初始化硬件设备的过程。我们将深入分析内核的第一个执行代码段（如 `start_kernel()` 函数的调用流程），讲解内存页表的建立、初始化核心数据结构（如进程描述符 `task_struct`）以及中断描述符表（IDT）的设置。读者将学会如何安全地修改内核编译选项并重新编译一个定制化的内核。 第三章：内存管理单元（MMU）的精妙设计 内存管理是操作系统的核心任务之一。本章将聚焦于 Linux 内核如何管理物理内存和虚拟内存。我们将详细阐述虚拟地址到物理地址的转换机制，讲解多级页表的结构和 TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用。重点内容包括：伙伴系统（Buddy System）在物理内存分配中的应用、slab/slub/slob 分配器在内核对象缓存中的作用。此外，我们还会深入讲解内存映射（mmap）的工作原理，包括文件映射和匿名映射的实现细节，以及缺页异常（Page Fault）的处理流程。 第二章：进程、线程与调度机制 在本章中，我们彻底剖析 Linux 的并发模型。进程（Process）和线程（Thread）在 Linux 中统一为“任务”（Task），并通过 `task_struct` 结构体来描述。我们将详述进程的创建（`fork()` 和 `clone()` 的区别）、上下文切换的硬件和软件实现。 重点章节放在进程调度器（Scheduler）上。我们将全面介绍 Linux 调度器的演变，从传统的 O(1) 调度器到当前主流的完全公平调度器（CFS - Completely Fair Scheduler）。CFS 如何基于虚拟运行时（vruntime）来保证公平性？实时调度策略（SCHED_FIFO, SCHED_RR）又是如何被整合进去的？读者将通过实际的 trace 案例理解调度决策的内部逻辑。 第二部分：系统调用、I/O 与文件系统（System Calls, I/O & File Systems） 第五章：系统调用的桥梁与用户空间交互 系统调用（System Call）是用户程序与内核通信的唯一安全途径。本章详细解析了系统调用在不同架构（如 x86-64）上的实现机制，包括中断向量触发、参数传递规范以及系统调用号的查找过程。我们将通过跟踪常见的系统调用（如 `open`, `read`, `write`）的内核实现路径，揭示用户空间到内核空间的边界穿越过程。同时，我们还会探讨更高级的异步 I/O 机制如 AIO 和 io_uring 的设计思想。 第六章：统一的 VFS 与主流文件系统深度解析 Linux 设计哲学中的“一切皆文件”理念通过 虚拟文件系统（VFS） 接口得以实现。本章首先介绍 VFS 的核心抽象层（superblock, inode, dentry, file 结构体）。随后，我们将深入剖析当前最流行的几种文件系统： Ext4： 详细介绍其日志机制（Journaling）、块组（Block Groups）的布局以及 inode 的分配策略。 XFS： 重点讲解其在处理大型文件系统和高并发 I/O 方面的优势。 Btrfs： 探讨其 CoW（Copy-on-Write）、快照和数据校验等现代文件系统特性。 第七章：块设备 I/O 栈与存储堆栈 数据最终需要写入物理介质。本章聚焦于块 I/O 路径。我们将解析 I/O 调度器（I/O Scheduler）在内核中的作用，对比 CFQ、Deadline、Noop 以及当前主流的 MQ-Deadline/Kyber 等多队列调度算法的优化目标和适用场景。更进一步，我们将探讨 设备树（Device Tree）在非 x86 平台上的重要性，以及内核如何通过通用块层与具体块设备驱动进行交互。 第三部分：内核扩展与驱动开发实践 (Kernel Extension & Device Drivers) 第八章：内核模块的生命周期管理 内核模块（Loadable Kernel Modules - LKM）是扩展内核功能而不重启系统的关键技术。本章详细讲解了如何编写、编译、加载（`insmod`）和卸载（`rmmod`）一个基本的内核模块。我们将重点关注模块初始化函数 (`module_init`) 和退出函数 (`module_exit`) 的正确实现，以及如何使用内核提供的各种辅助宏和工具链。 第九章：字符设备驱动程序开发 字符设备是与内核交互最基础也是最常见的驱动类型。本章提供了一个完整的、自底向上的字符设备驱动开发流程。内容包括： 1. 设备号管理： 主设备号和次设备号的分配与注册。 2. 文件操作结构体 (`file_operations`)： 实现 `open`, `release`, `read`, `write`, `ioctl` 等核心操作。 3. 并发控制： 在驱动层如何使用 自旋锁（Spinlocks）和 互斥体（Mutexes）来保护共享数据结构，避免竞态条件。 4. 中断处理： 注册中断处理函数，区分顶半部（Top Half）和底半部（Bottom Half，使用软中断或工作队列）。 第十章：高级驱动技术：工作队列与定时器 驱动程序的许多任务不能在中断上下文（中断处理的“顶半部”）中完成，因为它们可能需要睡眠或执行复杂的逻辑。本章深入探讨在适当的上下文中执行延迟任务的技术： 工作队列（Workqueues）： 它们的创建、提交和执行机制，以及在并发性上的考量。 内核定时器（Kernel Timers）与软中断（Softirqs）： 它们的区别、使用场景及性能影响。 第十一章：网络子系统与 Socket 编程 本章将 Linux 内核的网络协议栈从应用层 API（Socket）一直解析到底层硬件接口。我们将追踪数据包在内核中的旅程：Socket 调用如何映射到内核的 socket 结构体、TCP/IP 协议栈的处理流程（包括 Netfilter 框架的钩子点），以及数据如何被发送到网络设备驱动（如 NIC 驱动）。 附录：内核调试与故障排查工具集 提供了一套实用的调试方法论和工具清单，包括：`printk` 的安全使用、Kprobes/Jprobes 的动态跟踪能力、ftrace 的事件追踪机制，以及使用 KGDB/KDB 进行实时内核调试的步骤，帮助开发者在复杂系统中定位问题。 --- 本书特色： 本书严格遵循现代 Linux 内核的实现，重点关注 CFS 调度器、mm 层的伙伴系统、VFS 架构以及多队列 I/O 栈等当前内核的标志性组件。所有代码示例均使用 ANSI C 编写，确保了代码的清晰性和可移植性。我们不回避复杂的概念，而是通过清晰的流程图和实例来确保读者能够真正掌握这些底层机制，而非停留在 API 的表面调用。本书是构建坚实、高性能系统软件的必备指南。

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