本書內容分成兩篇，第一篇是基本框架，第二篇是文件系統及相關內容。在第一篇的各章中：第1章先對Linux進行簡要介紹并給出本書分析時所用的模型；第2章從C語言程序、可執行文件到進程的虛存空間影像的全過程作為起點，給讀者建立起進程用戶空間管理的概念；然后第3章討論物理頁幀如何支撐這些虛存空間，并且討論了與物理空間一致的內核空間的管理；接著第4章就是進程的概念、進程的組織、進程切換和進程的創建撤銷等活動；第5章專門討論進程調度和負載均衡問題；后面4章繼續討論進程間通信、系統調用、內核的并發活動和同步問題。第二篇開始討論盤根錯節的文件系統：先在第10章分析文件系統和VFS的基本概念；然后在第11章討論頁高速緩存及塊緩存；第12章分析了VFS的通用文件訪問操作；第13章討論ext2文件系統的具體格式和操作細節；接著第14章討論同步；第15章討論內存回收問題；最后第16章和第17章討論設備管理和塊設備問題。
本書以內存模型和時空模型為主要參考來分析各章的相關內容，給出了比較直觀的圖示，這不僅對初學者非常有用，對希望了解Linux內核的讀者和相關開發人員也非常有參考價值。
（1）內容全面，全書分成兩篇，*篇是Linux基本框架，第二篇是Linux文件系統及相關內容。（2）表述清晰明了，以內存模型和時空模型為主要參考來分析各章的相關內容，給出了比較直觀的圖示。（3）對希望了解Linux內核和相關開發人員也非常有參考價值。
序
此書獻給所有熱愛Linux內核的讀者。我們學習它而獲得的最大樂趣和收獲來源于滿足了我們的好奇心。作者最早接觸操作系統內核是20世紀90年代初期在西安電子科技大學校園，一個偶然機會獲得了一本西安電子科技大學老師寫的關于揭秘DOS內核的書籍，如饑似渴地一口氣讀完，相信一些讀者也有過類似的體驗。不過很快Windows 3.1、Windows NT來了，可獲得的操作系統看似要封閉在一個黑盒子里了。后來在桂林電子科技大學讀研的日子里，我知道了Linux這個新東西，不過當時正在研究硬件用VHDL寫一個測試控制器，所以并沒有深入了解。直到后來在華中科技大學讀博士的時候，從浙江大學毛德操老師的《Linux內核源代碼情景分析》一書中又找到了當年的感覺。直到前幾年遇到一個研究所的年輕人以讀過內核而沾沾自喜，于是我覺得應該寫一本關于Linux內核的書，降低Linux內核閱讀的難度，讓它變得平民化一點兒，這就是本書的由來之一。當然更重要的是在陳國良院士的研究團隊中，我參與了系統軟件的相關工作，這也算是交的一份作業吧。在學習了本科操作系統課程并且對系統編程有一定了解之后，不少同學希望通過Linux源代碼的學習來進一步掌握操作系統的細節。但是在操作系統原理和Linux代碼之間有明顯的學習上的鴻溝，兩者之間側重點的不同使得源代碼的學習曲線非常陡峭。操作系統原理性教材以4大管理（處理機、內存、設備和文件）為基線，主要講述的是原理和算法性的內容，而Linux內核分析的書籍（包括中文和英文）則偏向于解剖代碼本身。作者希望做到在討論How的基礎上，力求進一步探究Why，在此思路下并借助類似《Linux內核源代碼情景分析》等專著中的方式，本教材選擇以主題分析的方式，從應用程序（需求）和操作系統實現兩個方面同時入手，力求展現用戶編程需求和內核實現的對應關系，除了代碼解剖外，加強對各個器官組織之間聯系的描述，書中有大量的交叉引用便用于此目的。本教材將現有書籍通常都不在意的概念給讀者澄清，從用戶進程在物理機器上運行的角度，將源代碼大量的細節用提出正確需求問題的形式統領在一起，結合內存模型和時空模型來分析所涉及的問題，將相關原理、過程用圖示的直觀方法展示給讀者，降低了學習難度。本書并不打算替代操作系統原理性教材和源代碼分析書籍，讀者應當先學習操作系統和系統編程的課程，最好閱讀過一兩本內核的書籍然后才閱讀此書，其間有必要的時候，讀者可以進一步研讀其他各種源代碼分析的專著。此書并不是開天辟地之作，書中許多內容參考了Understanding the Linux Kernel和Professional Linux Kernel Architecture的相關 內容。由于內核代碼量非常大，而作者有限的精力和能力難免有理解上的偏差。因此如果讀者能在閱讀本書過程中快速地建立起比較完整和大體上正確的認識，那將是作者最大的欣慰。對于書中的不足與疏漏，歡迎讀者將問題反饋到lqm@szu.edu.cn，您的反饋將可能節約其他讀者寶貴的時間，因此極具價值。
羅秋明深大荔園
致謝本書得以完成首先要感謝深圳大學為我提供了一個舒適的工作環境，不必為生計而奔波。也要感謝計算機學院的陳國良院士和明仲院長，他們為本學院老師安排了合理的工作量，從而我能有空閑時間將本書完成。當然，計算機學院高性能計算所的老師們融洽地工作也是我能有精力進行編寫的保證。其次要感謝我的幾個研究生，肖峰完成了slab機制、文件系統掛載模式等小節的主體內容，周遠遠、張義軍、孔暢、劉國強和劉杰進行了繁重的校對工作。本科學生楊詩達對初稿進行了閱讀并協助進行校對。若沒有這些同學的幫助，此書將要延遲許久才能與讀者見面。最后要感謝我的家人，在我下班回家專心在計算機前寫作時，他們毫無怨言。這是對我最大的支持。
目 錄
第一篇 基 本 框 架
第1章 Linux內核概述 3
1.1
UNIX與Linux 3
1.1.1
UNIX 3
1.1.2
Linux 3
1.1.3
宏內核與微內核 6
1.1.4
Linux內核源碼及版本 6
1.2
Linux內核模型 11
1.2.1
多視角下的內核 11
1.2.2
功能模型 14
1.2.3
內存模型 15
1.2.4
時空模型 16
1.2.5
特權模型 17
1.3 本書局限性 18
小結 18
第2章 進程影像 20
2.1 從源代碼到進程 20
2.1.1
源代碼、目標文件 20
2.1.2
可執行文件與進程影像 26
2.2
proc中的進程 32
2.2.1
進程內存空間 32
2.2.2
進程運行狀態等信息 33
2.3 進程空間 35
2.3.1
進程空間描述符 36
2.3.2
虛存區域VMA 40
2.3.3
VMA屬性 45
2.4
ELF可執行文件裝入過程 48
2.4.1
ELF裝入函數 49
2.4.2
ELF格式 49
2.5 進程空間的動態變化 54
2.5.1
VMA上的操作 54
2.5.2
文件映射 55
2.5.3
堆的調整 58
2.5.4
棧的變化 60
2.6 并發的進程空間 60
小結 61
第3章 虛擬空間的物理支撐 63
3.1 物理內存組織與管理 64
3.1.1
節點與內存域 64
3.1.2
物理頁幀 79
3.1.3
buddy系統 84
3.1.4
頁幀遷移 94
3.1.5
內存熱插拔 98
3.2 地址映射與頁表 99
3.2.1
分頁機制與頁表 99
3.2.2
缺頁異常 103
3.3 內核空間 104
3.3.1
一致映射與高端內存 104
3.3.2
一致內存分配 108
3.3.3
非一致內存分配 109
3.3.4
slub分配器 115
小結 130
第4章 進程組織與基礎行為 131
4.1 進程組織管理 131
4.1.1
PCB進程控制塊 131
4.1.2
命名空間 135
4.1.3
進程標識 141
4.1.4
進程間關系 148
4.1.5
進程資源限制 151
4.2 進程創建與撤銷 152
4.2.1
進程創建 152
4.2.2
execve系統調用 159
4.2.3
內核線程 160
4.2.4
Linux進程樹 162
4.2.5
進程的撤銷 167
4.3 進程切換 167
4.3.1
切換時機 168
4.3.2
切換過程 169
4.3.3
切換示例 178
小結 181
第5章 進程調度與負載均衡 193
5.1 調度與均衡基本框架 193
5.2 進程狀態與轉換 194
5.2.1
進程調度狀態 194
5.2.2
進程狀態變遷 196
5.3 進程調度 198
5.3.1
調度框架 198
5.3.2
完全公平調度 215
5.3.3
實時調度 230
5.3.4
STOP和IDLE調度類 234
5.3.5
調度控制與proc接口 236
5.4 負載均衡 241
5.4.1
處理器層次結構 242
5.4.2
調度的層次管理 243
5.4.3
CFS任務的負載均衡 250
5.4.4
實時負載均衡 254
小結 258
第6章 進程間通信與同步 259
6.1 管道通信 260
6.1.1
無名管道 260
6.1.2
命名管道 261
6.1.3
管道數據結構 261
6.1.4
管道操作 266
6.2
System V IPC 269
6.2.1
IPC標識與命名空間 269
6.2.2
IPC公共框架 275
6.2.3
IPC信號量 279
6.2.4
IPC消息隊列 283
6.2.5
IPC共享內存 287
6.3 信號 290
6.3.1
信號分類 290
6.3.2
數據結構 294
6.3.3
信號產生與發送 302
6.3.4
信號的遞交和處理 305
小結 312
第7章 內核活動 313
7.1 中斷分類 313
7.1.1
x86的中斷和異常 314
7.1.2
后半部機制與軟中斷 315
7.1.3
中斷相關概念的關系 315
7.2 中斷處理 316
7.2.1
中斷號 317
7.2.2
中斷描述符表 320
7.2.3
公共入口 325
7.2.4
異常處理 329
7.3 高層中斷處理 332
7.3.1
轉向高層處理 333
7.3.2
中斷的高層數據結構 336
7.3.3
中斷返回處理 342
7.3.4
中斷的線程化 349
7.4 中斷嵌套與中斷管理 350
7.4.1
中斷嵌套與中斷上下文 350
7.4.2
中斷管理 353
7.5 軟中斷和tasklet 355
7.5.1
中斷的下半部 355
7.5.2
軟中斷執行時機 356
7.5.3
相關數據結構 360
7.5.4
軟中斷的執行 361
7.5.5
軟中斷的相關操作 363
7.5.6
tasklet 365
7.6 工作隊列 369
7.6.1
工作隊列機制 369
7.6.2
cmwq數據結構 371
7.6.3
工作項 371
7.6.4
cmwq工作隊列 375
7.6.5
工作者池worker_pool 383
7.6.6
并發度、應急處理等 386
7.7 系統調用 388
7.7.1
POSIX API、C庫和系統調用 388
7.7.2
系統調用的實現 389
小結 399
第8章 時間管理 400
8.1 時間管理框架 400
8.1.1
基本概念 400
8.1.2
時間中斷和事件 406
8.1.3
clock_event_device與tick_device 407
8.1.4
TIMER_SOFTIRQ軟中斷 413
8.1.5
timekeeper 414
8.2 定時器 416
8.2.1
低分辨率定時器 416
8.2.2
高精度定時器 419
8.2.3
模擬tick事件 422
8.2.4
通知鏈技術 423
小結 424
第9章 內核并發與同步 426
9.1 同步的需求 426
9.1.1
內核并發情形 426
9.1.2
內核搶占 429
9.2 內核共享變量的保護 432
9.2.1
被保護對象 432
9.2.2
保護原則 433
9.2.3
禁止內核并發 435
9.3 內核同步手段 437
9.3.1
原子操作 437
9.3.2
自旋鎖、讀寫鎖和順序鎖 439
9.3.3
RCU機制 444
9.3.4
順序和屏障 447
9.3.5
信號量與互斥量 448
9.3.6
等待隊列與完成變量 452
9.3.7
每CPU變量 455
小結 458
第二篇 盤根錯節的文件系統
第10章 文件系統 461
10.1
文件系統的抽象層次 461
10.1.1
進程視角下的文件 462
10.1.2
VFS虛擬文件系統 468
10.1.3
多角度分層模型 472
10.2
VFS核心對象 475
10.2.1
文件對象 475
10.2.2
目錄項對象 479
10.2.3
索引節點對象 484
10.2.4
超級塊對象 490
10.3
文件系統類型與掛載 495
10.3.1
文件系統類型與注冊 495
10.3.2
掛載操作 503
10.3.3
掛載模式 513
10.3.4
特殊文件系統 519
小結 525
第11章 頁緩存和塊緩存 526
11.1
頁高速緩存 527
11.1.1
address_space 528
11.1.2
頁高速緩存的組織 530
11.1.3
反向映射 534
11.2
塊高速緩存 540
11.2.1
塊緩存 540
11.2.2
LRU塊緩存 542
11.2.3
塊緩存操作 543
小結 547
第12章 VFS的文件操作 548
12.1
VFS系統調用 548
12.2
open()與close()系統調用 549
12.2.1
open的框架 549
12.2.2
文件定位過程 552
12.2.3
close()系統調用 558
12.3
讀/寫系統調用 558
12.3.1
入口代碼 560
12.3.2
通用write寫例程 568
12.3.3
通用read讀例程 570
12.3.4
其他讀寫細節 583
12.3.5
向BIO層提交請求 587
小結 588
第13章 ext2文件系統 590
13.1
ext2磁盤數據結構 590
13.1.1
磁盤分區的組織 590
13.1.2
塊組描述符和位圖 591
13.1.3
盤上和內存數據結構 592
13.2
ext2超級塊 593
13.2.1
ext2超級塊數據結構 593
13.2.2
掛載與訪問 597
13.3
ext2索引節點 598
13.3.1
盤上ext2索引節點 599
13.3.2
內存ext2索引節點 601
13.3.3
inode_operations 603
13.3.4
ext2地址空間與文件操作 604
13.4
目錄及目錄項 607
13.4.1
ext2_dir_entry 607
13.4.2
ext2_lookup() 609
小結 610
第14章 頁緩存同步（回寫） 611
14.1
同步/回寫、交換與回收 611
14.2
臟頁同步（回寫） 613
14.2.1
回寫機制演變 613
14.2.2
同步時機與框架 615
14.2.3
基本數據結構 617
14.3
回寫接口 627
14.3.1
sync系列系統調用 627
14.3.2
sys_sync() 628
14.3.3
sys_syncfs 633
14.3.4
單個文件的同步 635
14.3.5
被動回寫 637
14.4
回寫工作隊列 638
14.4.1
初始化 638
14.4.2
工作隊列處理函數 640
14.5
回寫操作 643
14.5.1
do_writepages() 644
14.5.2
ext2_writepages() 645
14.5.3
回寫等待 647
小結 649
第15章 內存回收與交換 650
15.1
頁幀回收 650
15.1.1
直接釋放 650
15.1.2
LRU頁幀組織 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
解除頁表映射 667
15.3
交換 667
15.3.1
交換功能 668
15.3.2
交換分區 668
15.3.3
交換緩存 673
小結 675
第16章 設備管理 676
16.1
設備管理組織 676
16.1.1
設備驅動模型 677
16.1.2
sysfs 678
16.1.3
基礎組件 679
16.1.4
容器 682
16.2
設備的VFS接口 688
16.2.1
設備文件 689
16.2.2
從VFS中訪問設備 691
16.3
字符設備 693
16.3.1
設備的散列組織 694
16.3.2
初始化與注冊 695
16.3.3
打開字符設備 696
16.4
PCI設備 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
小結 705
第17章 塊設備 706
17.1
基本概念 706
17.1.1
塊設備層 706
17.1.2
傳送單位 708
17.2
塊設備層組件 709
17.2.1
磁盤與磁盤分區 709
17.2.2
塊設備 712
17.2.3
請求隊列 715
17.3
提交請求及處理 728
17.3.1
plug/unplug機制 728
17.3.2
提交請求 733
17.3.3
提交到驅動程序 742
17.3.4
硬盤的request_fn 744
17.3.5
中斷處理 746
17.4
IO調度 749
17.4.1
IO調度器 749
17.4.2
調度器數據結構 751
17.5
初始化及注冊 754
17.5.1
塊設備初始化 754
17.5.2
硬盤初始化 759
小結 764
附錄 765
后記 774
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