正版 L1nux内核设计与实现(原书第3版)l1nux操作系统编程教程l1nux程序设计教材书 电脑 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈莉君 等 译

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111338291

商品编码：29651829693

丛书名： Linux内核设计与实现 (原书第3版)

开本：16开

出版时间：2011-06-01

基本信息

书名:Linux内核设计与实现(原书第3版)

定价：69.00元

作者:(美)拉芙 著，陈莉君，康华 译

出版社：机械工业出版社

出版日期：2011-06-01

ISBN：9787111338291

字数：277

页码：335

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：

目录

译者序

序言

前言

作者简介

第1章Linux内核简介1

1.1Unix的历史1

1.2追寻Linus足迹：Linux简介2

1.3操作系统和内核简介3

1.4Linux内核和传统Unix内核的比较5

1.5Linux内核版本7

1.6Linux内核开发者社区8

1.7小结8

第2章 从内核出发10

2.1获取内核源码10

2.1.1使用Git10

2.1.1安装内核源代码10

2.1.3使用补丁11

2.2内核源码树11

2.3编译内核12

2.3.1配置内核12

2.3.2少编译的垃圾信息14

2.3.3衍生多个编译作业14

2.3.4安装新内核14

2.4内核开发的特点15

2.4.1无libc库抑或无标准头文件15

2.4.2GNU C16

2.4.3没有内存保护机制18

2.4.4不要轻易在内核中使用浮点数18

2.4.5容积小而固定的栈18

2.4.6同步和并发18

2.4.7可移植性的重要性19

2.5小结19

第3章 进程管理20

3.1进程20

3.2进程描述符及任务结构21

3.2.1分配进程描述符22

3.2.2进程描述符的存放23

3.2.3进程状态23

3.2.4设置当前进程状态25

3.2.5进程上下文25

3.2.6进程家族树25

3.3进程创建26

3.3.1写时拷贝27

3.3.2fork()27

3.3.3vfork()28

3.4线程在Linux中的实现28

3.4.1创建线程29

3.4.2内核线程30

3.5进程终结31

3.5.1删除进程描述符32

3.5.2孤儿进程造成的进退维谷32

3.6小结34

第4章 进程调度35

4.1多任务35

4.2Linux的进程调度36

4.3策略36

4.3.1I/O消耗型和处理器消耗型的进程36

4.3.2进程优先级37

4.3.3时间片38

4.3.4调度策略的活动38

4.4Linux调度算法39

4.4.1调度器类39

4.4.2Unix系统中的进程调度40

4.4.3公平调度41

4.5Linux调度的实现42

4.5.1时间记账42

4.5.2进程选择44

4.5.3调度器入口48

4.5.4睡眠和唤醒49

4.6抢占和上下文切换51

4.6.1用户抢占53

4.6.2内核抢占53

4.7实时调度策略54

4.8与调度相关的系统调用54

4.8.1与调度策略和优先级相关的系统调用55

4.8.2与处理器绑定有关的系统调用55

4.8.3放弃处理器时间56

4.9小结56

第5章 系统调用57

5.1与内核通信57

5.2API、POSIX和C库57

5.3系统调用58

5.3.1系统调用号59

5.3.2系统调用的性能59

5.4系统调用处理程序60

5.4.1指定恰当的系统调用60

5.4.2参数传递60

5.5系统调用的实现61

5.5.1实现系统调用61

5.5.2参数验证62

5.6系统调用上下文64

5.6.1绑定一个系统调用的后步骤65

5.6.2从用户空间访问系统调用67

5.6.3为什么不通过系统调用的方式实现68

5.7小结68

第6章 内核数据结构69

6.1链表69

6.1.1单向链表和双向链表69

6.1.2环形链表70

6.1.3沿链表移动71

6.1.4Linux内核中的实现71

6.1.5操作链表73

6.1.6遍历链表75

6.2队列78

6.2.1kfifo79

6.2.2创建队列79

6.2.3推入队列数据79

6.2.4摘取队列数据80

6.2.5获取队列长度80

6.2.6重置和撤销队列80

6.2.7队列使用举例81

6.3映射81

6.3.1初始化一个idr82

6.3.2分配一个新的UID82

6.3.3查找UID83

6.3.4删除UID84

6.3.5撤销idr84

6.4二叉树84

6.4.1二叉搜索树84

6.4.2自平衡二叉搜索树85

6.5数据结构以及选择87

6.6算法复杂度88

6.6.1算法88

6.6.2大o符号88

6.6.3大θ符号89

6.6.4时间复杂度89

6.7小结90

第7章 中断和中断处理91

7.1中断91

7.2中断处理程序92

7.3上半部与下半部的对比93

7.4注册中断处理程序93

7.4.1中断处理程序标志94

7.4.2一个中断例子95

7.4.3释放中断处理程序95

7.5编写中断处理程序96

7.5.1共享的中断处理程序97

7.5.2中断处理程序实例97

7.6中断上下文99

7.7中断处理机制的实现100

7.8/proc/interrupts102

7.9中断控制103

7.9.1禁止和激活中断103

7.9.2禁止指定中断线105

7.9.3中断系统的状态105

7.10小结106

第8章 下半部和推后执行的工作107

8.1下半部107

8.1.1为什么要用下半部108

8.1.2下半部的环境108

8.2软中断110

8.2.1软中断的实现111

8.2.2使用软中断113

8.3tasklet114

8.3.1tasklet的实现114

8.3.2使用tasklet116

8.3.3老的BH机制119

8.4工作队列120

8.4.1工作队列的实现121

8.4.2使用工作队列124

8.4.3老的任务队列机制126

8.5下半部机制的选择127

8.6在下半部之间加锁128

8.7禁止下半部128

8.8小结129

第9章 内核同步介绍131

9.1临界区和竞争条件131

9.1.1为什么我们需要保护132

9.1.2单个变量133

9.2加锁134

9.2.1造成并发执行的原因135

9.2.2了解要保护些什么136

9.3死锁137

9.4争用和扩展性138

9.5小结140

第10章 内核同步方法141

10.1原子操作141

10.1.1原子整数操作142

10.1.264位原子操作144

10.1.3原子位操作145

10.2自旋锁147

10.2.1自旋锁方法148

10.2.2其他针对自旋锁的操作149

10.2.3自旋锁和下半部150

10.3读-写自旋锁150

10.4信号量152

10.4.1计数信号量和二值信号量153

10.4.2创建和初始化信号量154

10.4.3使用信号量154

10.5读-写信号量155

10.6互斥体156

10.6.1信号量和互斥体158

10.6.2自旋锁和互斥体158

10.7完成变量158

10.8BLK：大内核锁159

10.9顺序锁160

10.10禁止抢占161

10.11顺序和屏障162

10.12小结165

第11章 定时器和时间管理166

11.1内核中的时间概念166

11.2节拍率：HZ167

11.2.1理想的HZ值168

11.2.2高HZ的优势169

11.2.3高HZ的劣势169

11.3jiffies170

11.3.1jiffies的内部表示171

11.3.2jiffies的回绕172

11.3.3用户空间和HZ173

11.4硬时钟和定时器174

11.4.1实时时钟174

11.4.2系统定时器174

11.5时钟中断处理程序174

11.6实际时间176

11.7定时器178

11.7.1使用定时器178

11.7.2定时器竞争条件180

11.7.3实现定时器180

11.8延迟执行181

11.8.1忙等待181

11.8.2短延迟182

11.8.3schedule_timeout()183

11.9小结185

第12章 内存管理186

12.1页186

12.2区187

12.3获得页189

12.3.1获得填充为0的页190

12.3.2释放页191

12.4kmalloc()191

12.4.1gfp_mask标志192

12.4.2kfree()195

12.5vmalloc()196

12.6slab层197

12.6.1slab层的设计198

12.6.2slab分配器的接口200

12.7在栈上的静态分配203

12.7.1单页内核栈203

12.7.2在栈上光明正大地工作203

12.8高端内存的映射204

12.8.1映射204

12.8.2临时映射204

12.9每个CPU的分配205

12.10新的每个CPU接口206

12.10.1编译时的每个CPU数据206

12.10.2运行时的每个CPU数据207

12.11使用每个CPU数据的原因208

12.12分配函数的选择209

12.13小结209

第13章 虚拟文件系统210

13.1通用文件系统接口210

13.2文件系统抽象层211

13.3Unix文件系统212

13.4VFS对象及其数据结构213

13.5块对象214

13.6块操作215

13.7索引节点对象217

13.8索引节点操作219

13.9目录项对象222

13.9.1目录项状态222

13.9.2目录项缓存223

13.10目录项操作224

13.11文件对象225

13.12文件操作226

13.13和文件系统相关的数据结构230

13.14和进程相关的数据结构232

13.15小结233

第14章 块I/O层234

14.1剖析一个块设备234

14.2缓冲区和缓冲区头235

14.3bio结构体237

14.3.1I/O向量238

14.3.2新老方法对比239

14.4请求队列240

14.5I/O调度程序240

14.5.1I/O调度程序的工作241

14.5.2Linus电梯241

14.5.3终期限I/O调度程序242

14.5.4预测I/O调度程序244

14.5.5完全公正的排队I/O调度程序244

14.5.6空操作的I/O调度程序245

14.5.7I/O调度程序的选择245

14.6小结246

第15章 进程地址空间247

15.1地址空间247

15.2内存描述符248

15.2.1分配内存描述符249

15.2.2撤销内存描述符250

15.2.3mm_struct与内核线程250

15.3虚拟内存区域251

15.3.1VMA标志251

15.3.2VMA操作253

15.3.3内存区域的树型结构和内存区域的链表结构254

15.3.4实际使用中的内存区域254

15.4操作内存区域255

15.4.1find_vma()256

15.4.2find_vma_prev()257

15.4.3find_vma_intersection()257

15.5mmap()和do_mmap()：创建地址区间258

15.6mummap()和do_mummap()：删除地址区间259

15.7页表260

15.8小结261

第16章 页高速缓存和页回写262

16.1缓存手段262

16.1.1写缓存262

16.1.2缓存回收263

16.2Linux页高速缓存264

16.2.1address_space对象264

16.2.2address_space操作266

16.2.3基树267

16.2.4以前的页散列表268

16.3缓冲区高速缓存268

16.4flusher线程268

16.4.1膝上型计算机模式270

16.4.2历史上的bdflush、kupdated和pdflush270

16.4.3避免拥塞的方法：使用多线程271

16.5小结271

第17章 设备与模块273

17.1设备类型273

17.2模块274

17.2.1Hello，World274

17.2.2构建模块275

17.2.3安装模块277

17.2.4产生模块依赖性277

17.2.5载入模块278

17.2.6管理配置选项279

17.2.7模块参数280

17.2.8导出符号表282

17.3设备模型283

17.3.1kobject283

17.3.2ktype284

17.3.3kset285

17.3.4kobject、ktype和kset的相互关系285

17.3.5管理和操作kobject286

17.3.6引用计数287

17.4sysfs288

17.4.1sysfs中添加和删除kobject 290

17.4.2向sysfs中添加文件291

17.4.3内核事件层293

17.5小结294

第18章 调试295

18.1准备开始295

18.2内核中的bug296

18.3通过打印来调试296

18.3.1健壮性296

18.3.2日志等级297

18.3.3记录缓冲区298

18.3.4syslogd和klogd298

18.3.5从printf()到printk()的转换298

18.4oops298

18.4.1ksymoops300

18.4.2kallsyms300

18.5内核调试配置选项301

18.6引发bug并打印信息301

18.7神奇的系统请求键302

18.8内核调试器的传奇303

18.8.1gdb303

18.8.2kgdb304

18.9探测系统304

18.9.1用UID作为选择条件304

18.9.2使用条件变量305

18.9.3使用统计量305

18.9.4重复频率限制305

18.10用二分查找法找出引发罪恶的变更306

18.11使用Git进行二分搜索307

18.12当所有的努力都失败时：社区308

18.13小结308

第19章 可移植性309

19.1可移植操作系统309

19.2Linux移植史310

19.3字长和数据类型311

19.3.1不透明类型313

19.3.2指定数据类型314

19.3.3长度明确的类型314

19.3.4char型的符号问题315

19.4数据对齐315

19.4.1避免对齐引发的问题316

19.4.2标准类型的对齐316

19.4.3结构体填补316

19.5字节顺序318

19.6时间319

19.7页长度320

19.8处理器排序320

19.9SMP、内核抢占、高端内存321

19.10小结321

第20章 补丁、开发和社区322

20.1社区322

20.2Linux编码风格322

20.2.1缩进323

20.2.2switch语句323

20.2.3空格324

20.2.4花括号325

20.2.5每行代码的长度326

20.2.6命名规范326

20.2.7函数326

20.2.8注释326

20.2.9typedef327

20.2.10多用现成的东西328

20.2.11在源码中少使用ifdef328

20.2.12结构初始化328

20.2.13代码的事后修正329

20.3管理系统329

20.4提交错误报告329

20.5补丁330

20.5.1创建补丁330

20.5.2用Git创建补丁331

20.5.3提交补丁331

20.6小结332

参考资料333

内容提要

《Linux内核设计与实现（原书第3版）》详细描述了Linux内核的设计与实现。内核代码的编写者、开发者以及程序开发人员都可以通过阅读本书受益，他们可以更好理解操作系统原理，并将其应用在自己的编码中以提高效率和生产率。

本书详细描述了Linux内核的主要子系统和特点，括Linux内核的设计、实现和接口。从理论到实践涵盖了Linux内核的方方面面，可以满足读者的各种兴趣和需求。

作者Robert Love是一位Linux内核核心开发人员，他分享了在开发Linux2.6内核过程中颇具价值的知识和经验。本书的主题括进程管理、进程调度、时间管理和定时器、系统调用接口、内存寻址、内存管理和页缓存、VFS、内核同步、移植性相关的问题以及调试技术。同时本书也涵盖了Linux2.6内核中颇具特色的内容，括CFS调度程序、抢占式内核、块I/O层以及I/O调度程序。

《Linux内核设计与实现（原书第3版）》新增内容括：

增加一章专门描述内核数据结构

详细描述中断处理程序和下半部机制

扩充虚拟内存和内存分配的内容

调试Linux内核的技巧

内核同步和锁机制的深度描述

提交内核补丁以及参与Linux内核社区的建设性建议

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................

《深度解析：现代操作系统底层原理与实践》 这是一本专注于揭示现代操作系统核心机制，并引导读者深入理解和实践的进阶读物。本书并非对某一本特定书籍内容的复述，而是基于对操作系统设计与实现的长期观察和技术积累，提炼出的一套独立且系统的学习路径。 内容概述： 本书将带领读者穿越操作系统的神秘面纱，从宏观的系统架构到微观的执行流程，层层剥茧。我们将首先从操作系统的基本概念入手，探讨其存在的意义、核心功能以及在计算机系统中的地位。随后，本书将深入剖析操作系统的三大核心组件：进程管理、内存管理和文件系统。 进程管理： 我们将详细讲解进程的生命周期，包括创建、调度、同步与通信等关键机制。读者将理解多任务环境下，操作系统如何高效地管理和分配 CPU 资源，以及如何通过进程间通信（IPC）机制实现不同进程间的数据交换和协同工作。线程模型、锁机制、信号量等并发控制技术也将得到深入阐述，帮助读者掌握构建健壮并发程序的关键。 内存管理： 内存是操作系统的宝贵资源，本书将系统介绍各种内存管理策略，包括分页、分段、虚拟内存等。读者将学习操作系统如何有效地分配、回收和保护内存，以及如何通过内存映射、页面置换算法等技术，为应用程序提供充足且安全的运行空间，解决物理内存不足的问题，并提升程序的运行效率。 文件系统： 文件系统是用户与存储设备交互的桥梁，本书将深入探讨文件系统的组织结构、文件存储方式、目录管理以及文件操作的底层实现。我们将分析不同文件系统的设计理念，如日志文件系统、分布式文件系统等，并讲解文件 I/O 的性能优化技巧。 在掌握了核心组件的基础上，本书还将拓展到设备管理和系统调用等重要领域。读者将了解操作系统如何通过设备驱动程序与各种硬件设备进行交互，以及如何通过系统调用这一用户空间与内核空间的安全接口，为应用程序提供丰富的功能服务。 本书特色： 理论与实践相结合： 本书不仅仅停留在理论的讲解，更注重引导读者动手实践。我们将通过大量精心设计的代码示例、伪代码分析，以及对常见操作系统问题的剖析，帮助读者将抽象的概念具象化，从而加深理解。 面向底层与原理： 本书的核心在于深入探究操作系统的底层原理，而非停留在应用层的使用。读者将有机会窥探内核的设计思想，理解各种机制背后的权衡与选择。 启发式学习： 我们鼓励读者带着问题去学习，本书的讲解方式旨在激发读者的探索欲望，引导读者主动思考“为什么”和“如何做”，培养独立解决问题的能力。 体系化知识构建： 本书力求构建一套完整且相互关联的操作系统知识体系，让读者能够从全局视角理解操作系统的运作，而非零散地学习孤立的知识点。 适读人群： 计算机科学与技术、软件工程等相关专业的学生： 为深入理解操作系统课程提供可靠的理论支撑和实践指导。 希望深入理解操作系统原理的开发者： 提升对底层机制的认知，优化程序性能，解决更复杂的技术难题。 对操作系统设计感兴趣的研究人员： 为进一步的学术研究打下坚实的基础。 任何渴望掌握计算机系统核心奥秘的技术爱好者。 通过阅读本书，您将不再仅仅是操作系统的使用者，更能成为一名洞悉其内在运作机制的“内部人士”，为您的技术生涯开启更广阔的可能性。

评分☆☆☆☆☆

作为一名有几年 L1nux 开发经验的工程师，我一直觉得在深入理解 L1nux 内核之前，我的开发工作总感觉隔了一层纱。直到我读了这本书，才真正感觉自己与 L1nux 的“心跳”产生了共鸣。这本书的内容详实，覆盖了 L1nux 内核的方方面面，从内存管理、进程调度到文件系统、网络协议栈，几乎无所不包。让我印象最深刻的是关于内存管理的部分，作者对虚拟内存、分页、分段、页表等概念的阐述非常清晰透彻，并且结合了大量的源码分析，让我能够真正理解 L1nux 是如何在硬件之上构建出如此高效且安全的内存模型。还有对进程调度的剖析，不同调度器（如 CFS）的设计理念和实现细节都讲得明明白白，让我对 L1nux 如何在有限的 CPU 资源下实现公平高效的任务调度有了全新的认识。这本书的价值不仅仅在于理论知识的传授，更在于它提供了大量的实践指导。书中提供的源码分析示例，都能够帮助我们结合实际的 L1nux 内核代码来理解书中的理论。虽然阅读过程需要一定的耐心和时间投入，但每一次的理解和顿悟都让我觉得物超所值。这本书是我在 L1nux 内核领域的“圣经”，极大地提升了我对 L1nux 系统底层运行机制的理解，也为我今后的开发工作打下了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我是一位 L1nux 系统的初学者，对于操作系统仅仅停留在“使用”层面。出于对 L1nux 强大生命力的好奇，我选择购买了这本书，希望能借此机会窥探其“内心世界”。坦白说，一开始我被书中密密麻麻的文字和各种专业术语所震撼，但抱着“啃硬骨头”的决心，我还是坚持了下来。渐渐地，我发现这本书并没有我想象中那么难以理解。作者的写作风格很独特，他并非一股脑地抛出大量理论，而是将复杂的概念拆解成一个个小模块，然后通过清晰的图示和恰到好处的类比来帮助读者理解。我特别喜欢书中对“内存管理”和“进程通信”这两个部分的讲解。作者用非常生动的方式描绘了内存的分配、释放以及进程之间如何“交流”的过程，让我这个“小白”也能大致理解其精髓。虽然我无法完全消化书中的每一个技术细节，但我能感受到这本书的价值所在：它提供了一个非常全面的 L1nux 内核学习路径。它让我知道，原来 L1nux 的每一个功能背后，都蕴含着如此精巧的设计和复杂的实现。这本书是我的 L1nux 内核学习之旅的启蒙，它激发了我对底层技术更浓厚的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，对于那些希望深入了解 L1nux 内核的读者来说，无疑是一份厚礼。我一直认为，要成为一名优秀的 L1nux 开发者，仅仅停留在应用层是远远不够的，掌握内核的原理和设计思想至关重要。而这本书正是提供了这样一个绝佳的机会。它以一种非常系统化的方式，将 L1nux 内核复杂的内部机制一一揭示。我尤其赞赏作者在讲解过程中所展现出的严谨性和逻辑性。每一个章节都围绕着一个核心主题展开，并且层层递进，使得读者能够在一个清晰的框架下进行学习。书中对于 L1nux 内核中各个子系统的介绍，比如设备驱动模型、中断处理、IPC 机制等等，都做得非常到位。对于我来说，之前在阅读 L1nux 源码时遇到的很多困惑，在这本书的帮助下都得到了解答。比如，我一直不理解设备驱动是如何与内核进行交互的，通过阅读本书关于设备驱动模型的章节，我才恍然大悟。而且，这本书的内容更新及时，紧跟 L1nux 内核的发展步伐，这一点对于学习如此快速演进的操作系统来说尤为重要。总而言之，这本书是一本不可多得的 L1nux 内核深度学习的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在 L1nux 社区活跃多年的贡献者，我对 L1nux 内核的理解一直处于不断深入的过程中。这本书的出现，无疑为我提供了一个系统梳理和深化理解的绝佳机会。它以一种非常宏观的视角，审视了 L1nux 内核的整体架构，并在此基础上，对各个关键模块进行了深入剖析。我尤其欣赏作者在处理复杂概念时所展现出的清晰思路和逻辑性。他能够将 L1nux 内核中庞杂的子系统，例如文件系统、网络栈、I/O 子系统等，提炼出其核心的设计理念和实现原理，并用通俗易懂的语言进行阐述。这本书的价值不仅仅在于知识的传授，更在于它能够引导读者进行批判性思考。作者在书中对某些设计决策的权衡和取舍，以及不同实现方式的优劣分析，都非常值得我们借鉴。通过阅读这本书，我不仅巩固了已有的知识，更拓宽了我的视野，让我对 L1nux 内核的未来发展有了更深刻的认识。这本书是我个人 L1nux 内核知识体系中不可或缺的一部分，它为我提供了宝贵的洞察力，也为我今后的研究和贡献指明了方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我大开眼界，虽然我不是专业的程序员，但一直对计算机底层原理非常好奇，尤其是 L1nux 这个神秘的操作系统。拿到这本书的瞬间，我就被它厚实的体量和严谨的排版所吸引。虽然书名里写着“设计与实现”，听起来就很高深，但翻开第一页，作者的语言风格并没有我想象中的那么枯燥晦涩。他用一种循序渐进的方式，从最基本的概念讲起，比如进程、内存管理、文件系统等等。我尤其喜欢他引入的那些生动形象的比喻，让我这个门外汉也能大概理解那些抽象的概念。比如，在讲到进程调度的时候，他把 CPU 比作一个繁忙的厨师，而进程就是各种需要烹饪的菜肴，厨师需要根据菜肴的“紧急程度”和“烹饪难度”来安排烹饪顺序，这个比喻一下子就让我明白了调度算法的核心思想。而且，书中提供的很多代码示例，虽然我暂时还看不懂所有细节，但能感受到作者对细节的打磨，每一个代码片段都经过了精心设计，并且配有详细的解释。即使是对于我这样初学者来说，也能从中窥见 L1nux 内核强大的生命力。这本书不愧是经典之作，它为我打开了一扇通往 L1nux 内核世界的大门，让我对这个强大的操作系统有了更深层次的认识和敬畏。后续我还会继续深入研读，争取能够真正理解其中的奥秘。