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出版者:For Dummies

作者:Jon 'maddog' Hall

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2003-12-26

价格:USD 29.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780764542329

丛书系列:

图书标签:

• Red Hat
• Fedora
• Linux
• 操作系统
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• 计算机

深入理解与实践：Linux 内核架构与系统编程精要 本书旨在为系统工程师、高级技术爱好者以及希望深入理解现代操作系统核心机制的开发者提供一本全面、深入且实用的指南。我们将聚焦于 Linux 内核的深层结构、关键子系统的运作原理，以及如何利用这些底层知识进行高效的系统编程和性能调优。 --- 第一部分：Linux 内核的宏观蓝图与启动流程 本部分将带领读者从硬件层面开始，逐步揭示 Linux 内核是如何被初始化并接管系统的全过程。我们将避免对特定发行版（如 Fedora 或 Red Hat Enterprise Linux 的用户态工具集）的赘述，转而深入探讨内核自身的机制。 第一章：从固件到内核空间 引导加载器（Bootloader）的角色解析： 深入分析 GRUB2 的工作机制，重点探讨其如何加载内核映像（`vmlinuz`）和初始内存盘（`initrd`/`initramfs`）。对比早期引导机制与现代 UEFI/EFI 环境下的启动流程差异。 内核初始化阶段（Early Boot）： 详细剖析 `start_kernel()` 函数之前和之后的关键步骤。这包括对内存管理单元（MMU）的设置、页表结构的建立、硬件设备的初步检测，以及何时切换到更高级别的内存管理模式。 进程零号：`init` 进程的诞生： 阐述 PID 1 的特殊地位，它如何从内核空间中孵化出来，并承担起用户空间初始化、服务管理（如 Systemd 的核心职责，但此处侧重于其作为内核后继者的角色）以及系统清理的重任。 第二章：内存管理的基石 本章将深入内核的内存抽象层，理解物理内存如何被高效地组织和分配。 物理内存管理： 深入探讨 页（Page） 的概念，以及内核如何使用 伙伴系统（Buddy System） 来管理和分配连续的物理内存块。分析内存区域的划分： ZONE_DMA, ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM 等及其在不同架构下的意义。 虚拟内存与地址翻译： 详细解析 页表（Page Tables） 的多级结构（如四级页表）和地址翻译过程。解释 TLB（Translation Lookaside Buffer） 的作用及其对性能的影响，并讨论内核如何处理 TLB Miss。 内核内存分配器： 区别于伙伴系统，深入分析 Slab/SLUB/SLOB 分配器 如何为内核对象（如 VFS 节点、进程描述符）提供高效、无碎片化的内存分配。 --- 第二部分：进程、调度与并发控制 理解 Linux 如何管理并发执行和资源竞争是掌握系统编程的关键。本部分聚焦于内核中关于任务管理的核心组件。 第三章：进程与线程的内核视图 任务结构（`task_struct`）： 详尽剖析 Linux 进程描述符的内部结构。重点分析其包含的关键字段，如进程状态、调度信息、内存管理指针、文件描述符表等，理解进程在内核中的“身份卡”。 上下文切换（Context Switching）： 深入探究上下文切换的底层机制。分析涉及的寄存器保存/恢复、用户栈与内核栈的切换，以及 MMU 状态的更新。这对于理解系统调用开销至关重要。 信号处理与中断/异常： 区分硬件中断（Interrupts）与软件异常（Exceptions）在内核中的处理流程。分析信号（Signals）是如何在用户空间和内核空间之间传递和投递的，包括信号处理程序的安装和恢复。 第四章：高级调度算法与实时性保障 完全公平调度器（CFS）： 详细解析 CFS 的核心思想——虚拟运行时（vruntime）的概念，以及如何使用红黑树来维护可运行任务队列。理解 `nice` 值如何映射到调度实体权重。 实时调度策略： 对比 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 策略的抢占机制。分析 实时调度类（Real-Time Scheduling Classes） 如何确保关键任务的及时执行，以及 SCHED_DEADLINE ( EDF 算法的变体) 的实现原理。 锁机制与同步原语： 深入探讨内核中用于并发控制的各种工具：自旋锁（Spinlocks）、互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）。分析它们的适用场景、性能权衡，以及如何避免死锁和竞态条件。 --- 第三部分：I/O 子系统与文件系统核心 本部分关注数据如何在内存与持久化存储之间流动，以及内核如何抽象化复杂的硬件操作。 第五章：块设备与 I/O 栈 块 I/O 体系结构： 剖析传统的 Bio 结构 和现代的 `struct request`。理解 I/O 请求是如何在驱动层、请求队列层和调度器之间传递的。 I/O 调度器深度解析： 详细比较 Deadline、NOOP、CFQ（及其在较新内核中的演进）等调度算法的工作原理。分析它们如何优化磁盘寻道和吞吐量。 异步 I/O 与 AIO 框架： 探讨 Linux 中实现高性能、非阻塞 I/O 的机制，重点分析 `io_uring` 的现代架构，对比其与传统 `AIO` 的性能优势和编程模型差异。 第六章：虚拟文件系统（VFS）与通用接口 VFS 核心数据结构： 详解 `superblock`、`inode`、`dentry` 和 `file` 结构体之间的关系，理解 VFS 层是如何实现对 Ext4、XFS 等不同底层文件系统的统一抽象。 系统调用接口： 详细分析关键文件操作系统调用（如 `open`, `read`, `write`, `mmap`）在 VFS 层和具体文件系统驱动之间的调用流程。 缓存机制： 阐述 页缓存（Page Cache） 在加速文件 I/O 中的关键作用，以及 缓冲区缓存（Buffer Cache） 的历史演变和当前地位。分析内核如何管理缓存的一致性和淘汰策略。 --- 第四部分：网络协议栈的内核实现 本部分将穿透 TCP/IP 协议的抽象层，直击 Linux 内核如何处理网络数据包。 第七章：网络数据包的处理路径 Socket 抽象层： 从用户空间的 `socket()` 调用开始，追踪数据包如何进入内核。解析 `sock` 结构体及其与协议栈的绑定。 数据包的接收路径（软中断）： 深入分析网络驱动如何接收数据包，以及 NAPI（New API） 机制如何平衡中断开销与处理效率。追踪数据包如何穿越 Ring Buffer，进入协议栈。 TCP/IP 协议栈的内核实现： 详细解析 TCP 状态机的内核表示。重点分析 `sk_buff` (Socket Buffer) 结构体，它是内核网络处理的生命线。探讨拥塞控制算法（如 CUBIC）在内核中的实现和调整接口。 第八章：网络性能调优与监控 内核网络参数调优： 引导读者理解 `/proc/sys/net/` 下关键参数的含义，如 TCP 窗口大小、backlog 队列设置以及延迟发送（Nagle 算法）的控制。 eBPF/XDP 在网络中的应用： 介绍 eXpress Data Path (XDP) 如何在驱动层早期处理数据包，实现超低延迟的网络功能卸载，以及如何使用 eBPF 钩子点进行动态网络监控和防火墙规则的插入。 --- 第五部分：调试、跟踪与系统编程接口 本部分关注实用的调试技术和深入内核编程所需掌握的工具和方法论。 第九章：内核调试与跟踪技术 内核调试器（KDB/KGDB）： 介绍使用远程 GDB 连接内核调试会话的方法，设置断点和检查内核数据结构。 动态跟踪工具： 深入讲解 `ftrace` 框架的工作原理，如何使用函数跟踪、事件跟踪和动态探针（kprobes/jprobes）来实时剖析内核函数执行路径和延迟。 性能分析利器： 如何利用 Perf 工具链，结合硬件性能计数器（PMC），对系统调用、上下文切换、缓存未命中等关键指标进行采样和分析，以定位性能瓶颈。 第十章：系统调用编程与进程间通信（IPC） 系统调用机制深度分析： 剖析用户态如何通过软件中断或 `syscall` 指令进入内核，以及参数传递机制（如寄存器映射）。 高级 IPC 机制： 详细分析 System V IPC (共享内存、消息队列) 与 POSIX IPC (命名管道、POSIX 消息队列) 在内核中的实现差异和性能特点。重点探讨 `mmap()` 作为高效 IPC 机制的原理。 模块化编程与内核接口的稳定性： 讨论内核模块的加载、初始化与清理过程。强调在没有发行版特定头文件依赖的情况下，如何安全地使用内核导出的符号（Exported Symbols）进行二次开发和内核扩展。 --- 本书适合那些对“为什么”而非仅仅“如何做”感兴趣的技术人员。通过对 Linux 内核内部工作机制的系统性拆解，读者将能够构建更健壮、更高效、更易于诊断的底层应用与系统环境。

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这本书的封面设计真是直白得可爱，一眼就能看出是给Linux新手准备的“救生圈”。我拿到手的时候，其实已经对命令行有点敬畏了，毕竟之前尝试过其他发行版，结果电脑像被施了魔法一样变得一团糟。但翻开这本《Red Hat Linux Fedora for Dummies》后，那种恐慌感奇妙地消退了。作者似乎有一种魔力，能把那些复杂的系统概念掰开揉碎，用日常的语言描绘出来。比如，讲到文件系统权限时，他没有直接抛出枯燥的`chmod`数字，而是用了一个“谁可以进哪个房间”的比喻，一下子就清晰了。更让我印象深刻的是，它对安装过程的处理。通常别的指南恨不得跳过安装，直接讲高级配置，这本书却非常耐心地带你走过每一个分区设置的选项，解释了为什么你需要一个`/home`分区，而不是简单地让你全部交给默认设置。这对于建立一个稳固的系统基础至关重要，免去了后期因分区不合理而不得不重装的痛苦。它不是那种追求最新、最极客技巧的书，它追求的是“你能用”，这才是对“Dummies”系列最好的诠释。我尤其欣赏它在故障排除章节的处理方式，不是简单地罗列错误代码，而是教你如何“思考”像一个系统管理员那样去定位问题，比如查看日志文件的关键位置，这比单纯的复制粘贴解决方案要高明得多。

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这本书的价值，我认为在于它建立了一种使用Linux的“信心”。在接触它之前，我总觉得Fedora或者任何基于Red Hat的系统都带有某种“企业级”的冷峻感，操作起来一定非常严谨、不容出错。然而，作者通过一系列清晰的步骤和大量的截图示例，证明了即便是复杂的任务，比如配置Samba共享，也能被分解成一系列可执行的小块。我特别记住了书中关于“权限继承”的那个案例，它用一个生动的例子解释了为什么子目录的权限有时会和父目录不同，这解决了困扰我很久的一个实际问题。很多技术书往往只关注“如何做”，但这本书更进一步，解释了“为什么这样做是必要的”。例如，在系统升级（比如从一个Fedora大版本升级到下一个）的章节，它并没有简单地说“运行这个命令”，而是详细说明了备份的重要性以及升级过程中可能遇到的依赖冲突，并提供了应对的思路，这种前瞻性的指导非常有帮助。它让我从一个“操作系统的使用者”开始，向一个“系统的理解者”转变，这种思维模式的转变，是任何工具书都难以替代的收获。

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坦率地说，我不是那种追求极致性能或者热衷于从源码编译一切的极客。我需要的是一个稳定、易于维护，并且我能理解其基本工作原理的操作系统。这本书完美地契合了这种需求。它对待那些“非必须了解”的底层知识的态度是：如果它们不影响你日常使用，就放在后面讲，或者只做简要提及。这使得整个阅读过程非常轻快。我发现书中关于用户和组管理的介绍非常人性化，它解释了为什么系统需要`root`之外的多个用户，以及如何安全地提升临时权限（`sudo`的妙用），而不是直接让你依赖`root`账户进行所有操作，这对于养成良好的安全习惯至关重要。在配置打印机和扫描仪这种常常令人头疼的硬件集成方面，这本书也给出了非常实用的本地化指导，而不是泛泛而谈。总而言之，它更像是一个经验丰富的、耐心十足的邻家高手，在你遇到困难时递过来一杯咖啡，然后指着正确的方向说：“别急，我们一步一步来”，而不是一个只会扔给你一堆手册的专家。这份陪伴感，是阅读其他官方文档所无法提供的宝贵体验。

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我一直以为学习Linux就是背诵一大堆晦涩的命令和配置文件路径，直到我遇到了这本书。这本书的行文节奏把握得极其精准，它不会像某些技术文档那样，在你还没理解“这是什么”的时候，就催促你“赶紧去做”。相反，它用一种非常温和、甚至带着点幽默感的语气，逐步引导你探索Fedora的世界。例如，在介绍软件包管理时，它没有直接深入到`dnf`的底层机制，而是先让你体验到安装一个图形化应用是多么轻松愉快，然后才适时地插入解释：这个`dnf`工具是如何为你处理依赖关系的，避免了“地狱式的编译”噩梦。我特别喜欢它对桌面环境的介绍部分，不像其他书籍那样一笔带过，而是详细讲解了GNOME桌面的一些核心交互逻辑，比如活动概览（Activities Overview）的精髓，这对于从Windows或macOS迁移过来的用户来说，是极大的福音。书中穿插的“专业提示”小框，往往能提供一些生产力上的捷径，比如如何快速切换终端窗口，或者设置一个好用的命令行别名，这些细节积累起来，极大地提升了日常操作的流畅度。对于一个刚刚踏入Linux大门的学习者来说，这种“授之以渔”的教学方法，远胜于“授之以鱼”的纯粹命令罗列。

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阅读体验上，这本书的排版和视觉引导做得非常出色，这在技术书籍中并不常见。它的内容密度控制得恰到好处，每一页都不会让人感到信息过载。作者在解释一些相对底层的概念时，比如内核模块的加载或系统服务的管理（systemd），会非常巧妙地使用对比和类比。比如，解释`systemctl status`时，他把它比作“给你的仆人（服务）打个招呼，问问它工作得怎么样”，这种拟人化的描述，瞬间打破了技术术语的隔阂。我发现自己在使用书中介绍的那些网络配置工具时，不再像以前那样战战兢兢。它没有强迫你去记住所有参数，而是告诉你，在绝大多数情况下，你只需要关注A、B、C这三个关键点。这种聚焦核心，忽略次要噪音的编排方式，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。此外，书中对安全基础的讲解也相当到位，比如如何设置防火墙的基本规则，而不是一上来就让你接触复杂的iptables规则。它传达的是一种“先保证安全运行，再考虑深度定制”的务实理念，这一点非常符合我作为非专业用户的需求。

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