Linux内核编程

出版时间：2011-5  出版社：人民邮电  作者：(美)罗德里格斯//费舍尔//斯莫斯基|译者:陈莉君//贺炎//刘霞林  页数：400  译者：陈莉君 贺炎 刘霞林  
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前言

　　无论是一般性技术还是计算机技术，对于试图了解它们的人们来说都具有不可思议的魔力。技术的发展使其影响力不断扩大，迫使人们对一些旧的概念重新评估。Linux操作系统已经对产业变革和商业营销方式转变做出了巨大贡献。它采用GNU公共许可证并与GNU软件良性互动，占据了中心位置，围绕开源、自由软件和开发社区思想的各种争论都离不开它。Linux无疑是一个极其成功的典范，展现了开源操作系统无比强大的力量，其理论的魔力令世界各地的程序员们如痴如狂。　　对于大多数计算机用户来说，使用Linux正变得越来越方便。有了各种各样的发布版、社区的支持，以及工业后盾，Linux的应用也找到了安全的港湾，出现在大学、行业应用以及数以千计的家庭用户中。　　使用大潮促进了技术支持和新功能需求的日益增长。这样一来，愈来愈多的程序员发现自己对Linux内核内幕感兴趣，因为大量现有的（还在快速增长的）应用需要支持不同的体系结构和种类繁多的新设备。　　内核向Power体系结构的成功移植，也助长了Linux操作系统在高端服务器和嵌入式系统中的全面繁荣。许多公司购买基于Power PC的系统来运行Linux，因此越来越多的人需要知道Linux在该体系结构上的运行机理。　　适合的读者　　本书的读者包括初级和经验丰富的系统程序员、Linux的热衷者，以及应用程序的开发者，这些开发者渴望更好地理解自己的程序到底是如何工作的。只要有C语言知识，熟悉基本的Linux用法，如果想知道Linux如何工作，那么你就会发现这本书提供了所需的基本知识，可以说，本书是理解Linux内核如何工作的初级读本。　　不管你是只登录过Linux并编写了些小程序，还是你本身就是一个系统程序员，正想深入理解某个子系统的特性，本书都会有你所要的信息。　　内容组织　　本书分为三部分，每部分都提供必要的知识，让读者能顺利地钻研Linux内幕。　　第一部分提供必要的工具和背景，便于对Linux内核展开进一步的探索。　　第1章回顾了Linux和UNIX的历史，对比了很多发布版，并从用户空间的角度简述各种内核子系统。　　第2章描述Linux内核中常用的数据结构和语言的用法，介绍x86和PowerPC体系结构的汇编语言，并简述一些工具和实用程序，可用来获取理解内核内幕所需的信息。　　第二部分介绍了在每个内核子系统中所涉及的基本概念，并分析了执行子系统功能的代码。　　第3章讨论了进程模型的实现。本章解释了为何引入进程，并讨论了进程往返于用户空间和内核空间时的控制流。我们还讨论了进程在内核中是如何实现的，并描述了与进程执行相关的所有数据结构。本章还介绍了中断和异常，描述了这些硬件机制在每种体系结构中是如何发生的，它们与Linux内核又是如何交互的。　　第4章描述了Linux内核如何追踪和管理用户空间进程的可用内存和内核的可用内存。本章描述了内核对内存分类的方式，以及决定分配和释放内存的方式，也详细描述了缺页机制以及它怎样在硬件上执行。　　第5章描述了处理器如何与其他设备进行交互，内核又是如何响应和控制这些交互的。本章还涵盖了各种设备及其在内核中的实现。　　第6章概述文件和目录如何在内核中实现。本章引入了虚拟文件系统，它是用于支持多文件系统的抽象层。本章还跟踪了文件相关操作的执行，如打开和关闭文件。　　第7章描述调度程序的操作，调度程序让多个进程运行起来就像系统中只有一个进程在运行一样。本章详细描述了内核如何选择执行哪一个任务，进程切换时如何与硬件进行交互。本章还叙述了什么是内核抢占，它又是怎样执行的。最后，描述了系统时钟的工作原理，内核怎样使用它计时。　　第8章描述电源开和关时都发生些什么。本章对各种处理器处理内核加载的方式进行了跟踪，包括对BIOS、Open Firmware和bootloader的描述。然后，考察了内核启动和初始化时的线性顺序，涉及了前面章节中讨论的所有子系统。　　第三部分，描述如何编译内核并与内核进行交互的有效途径。　　第9章涵盖了编译内核所必需的工具链和所执行的对象文件的格式。还详细描述了内核源代码编译（Kernel Source Build）系统如何运作，怎样把配置选项加入内核编译系统中。　　第10章描述了/dev/random操作，这在所有的Linux系统中都可以看到。本章用它来跟踪设备，并从更具实战性的角度介绍前面各章描述过的概念。最后介绍了如何在内核中实现自己的设备。　　我们的探索方法　　本书给读者介绍了理解内核的必要概念。我们遵循自顶向下的方式来组织内容，具体体现在以下两个方面。　　首先，我们把内核的机理和用户空间操作的执行关联起来，因为读者对后者较熟悉，所以我们会将二者结合起来，解释内核的工作。在可能时，我们从用户空间的例子说起，并跟踪代码的执行到内核。但有时，这种跟踪方式并不有效，因为需要先介绍子系统的数据类型和子结构，而后才能解释其工作原理。在这些情况下，我们把对内核子系统的解释和它与用户空间程序如何联系的具体例子结合起来。有双重意图：其一，当内核一方面与用户空间打交道，另一方面与硬件打交道时，突出在内核中看到的层面；其二，通过跟踪代码和事件发生的顺序来解释子系统的工作原理。我们相信，这有助于读者将内核的工作原理与自己的认识匹配起来，也有利于读者了解一个特定的功能怎样与操作系统的其余部分产生联系。　　其次，我们以自顶向下的角度，考察把数据结构视作子系统操作中心，并观察它们怎样与系统管理的执行行为相联系。我们尽力刻画子系统操作中心的结构，并像追踪子系统的操作一样持续关注这些数据结构。　　约定　　你会在全书中看到源代码列表。右上角存放有关源代码树根的源文件位置。代码中的行号是为了方便随后对代码进行解释。我们在解释内核子系统及其工作原理时，会不断引用源代码并给予解释。　　命令行选项、函数名、函数输出以及变量名都用代码体加以区分。　　引入一个新概念时就采用黑体。

内容概要

本书以Linux
操作系统为基础，详细介绍了Linux 内核子系统，并辅以大量内核源代码和示例程序进行演示，引领读者深入Linux
内核。　　　　　　　　
　　本书的主要内容包括：Linux 基础知识、内核探索工具集、进程的整个生命周期、内存区、页面、Slab 分配器、用于输入/
输出的各种设备、文件系统、抢占、自旋锁、信号量、内核引导、构建Linux
内核，以及向内核添加代码等，同时还简单介绍了一些应用工具和实用程序。每章末尾都给出一些练习，涉及内核运行的操作及工作原理。
　　本书适合对Linux 内核感兴趣的各层次读者，无论对Linux 初学者还是Linux
程序开发人员，本书都是一本很有价值的参考书。

作者简介

　　Claudia Salzberg Rodriguez
　　就职于IBM
Linux技术中心，负责内核及相关编程工具的开发。在担任程序员的10多年时间里，她一直针对Intel和PPC平台进行Linux嵌入式系统到高性能系统的开发。
　　Gordon Fischer
曾为很多底层设备开发过Linux和Unix设备驱动程序，并针对Intel和PPC平台上的企业级系统中使用Linux内核。
　　Steven Smolski
有近30年的半导体行业从业经验。从事过内存、处理器以及ASICS的研发和测试，为Linux、AIX以及Windows都编写过应用程序和驱动程序，还进行过嵌入式操作系统的开发。

书籍目录

第1 章 概述　　
1.1 UNIX 的历史　　
1.2 标准和通用接口　　
1.3 自由软件和开放源码 　　
1.4 Linux 发布版概览　　
1.41 Debian　　
1.42 Red Hat/Fedora
1.43 Mandriva　　
1.44 SUSE 　　
1.45 Gentoo 　　
1.46 Yellow Dog 　　
1.47 其他发布版　　
1.5 内核版本信息　　
1.6 基于Power 的Linux 　　
1.7 什么是操作系统　　
1.8 内核组织　　
1.9 Linux 内核概述　　
1.9.1 用户接口　　
1.9.2 用户标识符 　　
1.9.3 文件和文件系统 　　
1.9.4 进程　　
1.9.5 系统调用　　
1.9.6 Linux 调度程序　　
1.9.7 Linux 设备驱动程序 　　
1.10 可移植性和体系结构的相关性　　
1.11 小结　　
1.12 习题　　
第2 章 内核探索工具集 　　
2.1 内核中常见的数据类型 　　
2.1.1 链表　　
2.1.2 查找　　
2.1.3 树　　
2.2 汇编　　
2.2.1 PowerPC 　　
2.2.2 x86 　　
2.3 汇编语言示例　　
2.3.1 x86 中的汇编示例 　　
2.3.2 PowerPC 中的汇编示例 　　
2.4 内联汇编　　
2.4.1 输出操作数 　　
2.4.2 输入操作数 　　
2.4.3 已修改过的寄存器（已修改的元素列表）
2.4.4 参数的编号方式　　
2.4.5 约束条件　　
2.4.6 asm 　　
2.4.7 __volatile__ 　　
2.5 特殊的C 语言用法 　　
2.5.1 asmlinkage　　
2.5.2 UL　　
2.5.3 内联　　
2.5.4 const 和volatile　　
2.6 内核探索工具一览　　
2.6.1 objdump/readelf　　
2.6.2 hexdump 　　
2.6.3 nm　　
2.6.4 objcopy 　　
2.6.5 ar　　
2.7 内核发言：倾听来自内核的消息 　　
2.7.1 printk()　　
2.7.2 dmesg　　
2.7.3 /var/log/messages　　
2.8 其他奥秘　　
2.8.1 __init　　
2.8.2 likely()和unlikely()　　
2.8.3 IS_ERR 和PTR_ERR 　　
2.8.4 通告程序链 　　
2.9 小结　　
2.9.1 项目：Hellomod 　　
2.9.2 第一步：构造Linux 模块的框架　　
2.9.3 第二步：编译模块　　
2.9.4 第三步：运行代码 　　
2.10 习题　
　
第3 章 进程：程序执行的基本模型　　
3.1 程序　　
3.2 进程描述符　　
3.2.1 与进程属性相关的字段 　　
3.2.2 与调度相关的字段 　　
3.2.3 涉及进程间相互关系的字段 　　
3.2.4 与进程信任状相关的字段 　　
3.2.5 与进程权能相关的字段　　
3.2.6 与进程限制相关的字段 　　
3.2.7 与文件系统及地址空间相关的字段　　
3.3 进程的创建：系统调用fork()、vfork 和clone() 　　
3.3.1 fork()函数 　　
3.3.2 vfork()函数 　　
3.3.3 clone()函数　　
3.3.4 do_fork()函数 　　
3.4 进程的生命周期　　
3.4.1 进程的状态 　　
3.4.2 进程状态的转换 　　
3.5 进程的终止　　
3.5.1 sys_exit() 函数 　　
3.5.2 do_exit()函数 　　
3.5.3 通知父进程和sys_wait4() 　　
3.6 了解进程的动态：调度程序的基本构架　　
3.6.1 基本结构　　
3.6.2 从等待中醒来或者激活 　　
3.7 等待队列　　
3.7.1 添加到等待队列 　　
3.7.2 等待事件　　
3.7.3 唤醒进程　　
3.8 异步执行流程　　
3.8.1 异常　　
3.8.2 中断　　
3.9 小结　　
3.9.1 项目：系统变量current　　
3.9.2 项目源码　　
3.9.3 运行代码　　
3.10 习题　　
第4 章 内存管理　　
4.1 页　　
4.2 内存管理区　　
4.2.1 内存管理区描述符 　　
4.2.2 内存管理区操作辅助函数 　　
4.3 页面　　
4.3.1 请求页面的函数 　　
4.3.2 释放页面的函数 　　
4.3.3 伙伴系统 　　
4.4 Slab 分配器　　
4.4.1 缓存描述符　　
4.4.2 通用缓存描述符 　　
4.4.3 Slab 描述符 　　
4.5 Slab 分配器的生命周期　　
4.5.1 与Slab 分配器有关的全局变量　　
4.5.2 创建缓存　　
4.5.3 创建slab 与cache_grow() 　　
4.5.4 Slab 的销毁：退还内存与kmem_cache_destroy() 　　
4.6 内存请求路径　　
4.6.1 kmalloc() 　　
4.6.2 kmem_cache_alloc() 　　
4.7 Linux 进程的内存结构 　　
4.7.1 mm_struct 　　
4.7.2 vm_area_struct 　　
4.8 进程映像的分布及线性地址空间 　　
4.9 页表　　
4.10 缺页　　
4.10.1 x86 缺页异常　　
4.10.2 缺页处理程序 　　
4.10.3 PowerPC 缺页异常 　　
4.11 小结　　
4.12 项目：进程内存映射 　　
4.13 习题　
　
第5 章 输入/输出　　
5.1 总线、桥、端口和接口的硬件实现 　　
5.2 设备　　
5.2.1 块设备概述 　　
5.2.2 请求队列和I/O 调度　　
5.2.3 示例：“通用”块设备驱动程序　　
5.2.4 设备操作　　
5.2.5 字符设备　　
5.2.6 网络设备　　
5.2.7 时钟设备 　　
5.2.8 终端设备 　　
5.2.9 直接存储器存取 　　
5.3 小结　　
5.4 项目：创建并口驱动程序 　　
5.4.1 并口的硬件 　　
5.4.2 运行在并口上的软件 　　
5.5 习题　　
第6 章 文件系统　　
6.1 文件系统的基本概念 　　
6.1.1 文件和文件名 　　
6.1.2 文件类型 　　
6.1.3 文件的附加属性　　
6.1.4 目录和路径名 　　
6.1.5 文件操作　　
6.1.6 文件描述符 　　
6.1.7 磁盘块、磁盘分区以及实现 　　
6.1.8 性能　　
6.2 Linux 虚拟文件系统 　　
6.2.1 VFS 的数据结构　　
6.2.2 全局链表和局部链表的引用　　
6.3 与VFS 相关的结构 　　
6.3.1 fs_struct 结构 　　
6.3.2 files_struct 结构 　　
6.4 页缓存　　
6.4.1 address_space 结构　　
6.4.2 buffer_head 结构 　　
6.5 VFS 的系统调用和文件系统层　　
6.5.1 open()　　
6.5.2 close() 　　
6.5.3 read()　　
6.5.4 write() 　　
6.6 小结　　
6.7 习题　
　
第7 章 进程调度和内核同步　　
7.1 Linux 的调度程序　　
7.1.1 选择下一个进程　　
7.1.2 上下文切换 　　
7.1.3 让出CPU 　　
7.2 内核抢占　　
7.2.1 显式内核抢占　　
7.2.2 隐式用户抢占　　
7.2.3 隐式内核抢占 　　
7.3 自旋锁和信号量 　　
7.4 系统时钟：关于时间和定时器　　
7.4.1 实时时钟：现在几点了　　
7.4.2 读取PPC 的实时时钟 　　
7.4.3 读取x86 的实时时钟　　
7.5 小结　　
7.6 习题　　
第8 章 内核引导　　
8.1 BIOS 和Open Firmware
8.2 引导加载程序　　
8.2.1 GRUB　　
8.2.2 LILO　　
8.2.3 PowerPC 和Yaboot 　　
8.3 与体系结构相关的内存初始化 　　
8.3.1 PowerPC 的硬件内存管理 　　
8.3.2 基于Intel x86 体系结构的硬件内存管理 　　
8.3.3 PowerPC 和x86 的代码汇集 　　
8.4 原始的RAM 盘 　　
8.5 开始：start_kernel() 　　
8.5.1 调用lock_kernel() 　　
8.5.2 调用page_address_init()　　
8.5.3 调用printk(linux_banner) 　　
8.5.4 调用setup_arch　　
8.5.5 调用setup_per_cpu_areas() 　　
8.5.6 调用smp_prepare_boot_cpu() 　　
8.5.7 调用sched_init() 　　
8.5.8 调用build_all_zonelists() 　　
8.5.9 调用page_alloc_init 　　
8.5.10 调用parse_args()　　
8.5.11 调用trap_init() 　　
8.5.12 调用rcu_init() 　　
8.5.13 调用init_IRQ() 　　
8.5.14 调用softirq_init() 　　
8.5.15 调用time_init() 　　
8.5.16 调用console_init() 　　
8.5.17 调用profile_init()　　
8.5.18 调用local_irq_enable()　　
8.5.19 配置initrd　　
8.5.20 调用mem_init() 　　
8.5.21 调用late_time_init() 　　
8.5.22 调用calibrate_delay() 　　
8.5.23 调用pgtable_cache_init() 　　
8.5.24 调用buffer_init() 　　
8.5.25 调用security_scaffolding_startup() 　　
8.5.26 调用vfs_caches_init() 　　
8.5.27 调用radix_tree_init() 　　
8.5.28 调用signal_init() 　　
8.5.29 调用page_writeback_init() 　　
8.5.30 调用proc_root_init() 　　
8.5.31 调用init_idle() 　　
8.5.32 调用rest_init() 　　
8.6 init 线程（或进程1） 　
8.7 小结　　
8.8 习题　
　
第9 章 构建Linux 内核 　　
9.1 工具链　　
9.1.1 编译程序 　　
9.1.2 交叉编译 　　
9.1.3 链接程序　　
9.1.4 ELF 二进制目标文件　　
9.2 内核源代码的构建 　　
9.2.1 解释源代码 　　
9.2.2 构建内核映像　　
9.3 小结　　
9.4 习题
　　
第10 章 向内核添加代码 　　
10.1 浏览源代码　　
10.11 熟悉文件系统　　
10.12 filp 和fops 　　
10.13 用户空间和内核空间　　
10.14 等待队列　　
10.15 工作队列及中断 　　
10.16 系统调用 　　
10.17 其他类型的驱动程序　　
10.18 设备模型和sysfs 文件系统　　
10.2 编写代码　　
10.2.1 设备基础 　　
10.2.2 符号输出　　
10.2.3 IOCTL 　　
10.2.4 轮询与中断 　　
10.2.5 工作队列和tasklet 　　
10.2.6 增加系统调用的代码 　　
10.3 构建和调试　　
10.4 小结　　
10.5 习题　　

媒体关注与评论

　　“本书详细比较了x86和PPC体系结构下的汇编程序，并介绍了分析工具。非常不错！”　　——亚马逊读者评论

用户评论 (总计35条)

•   linux内核编程切入角度不错，把一些重要概念讲述很清楚
•   linux内核讲解的不错！
•   本书不适合入门学习，推荐linux内核完全剖析（赵炯），学习linux首先要建立全局概念。然后个个击破，欲速则不达。
•   唉，内容分析的挺好的，感觉没有太多的实例，看了只是了解内核、进程相关知识等等，不知道程序怎么写。
•   书翻译的很好，内容也很好， 推荐需要学习内核的人学习
•   对内核进行了精简描述，每一章都配有demo，总体说来还是可以。
•   感觉还不错，虽然还没完全读，但就书的质量来说应该是很好！
•   入门级的科普书
•   可以拿来入门用。很多平时容易忽略的知识。
•   内容详实，需仔细体会
•   物流很快，宝贝们也好好，而且发票开得也开心
•   还没有看呢。。
•   Linux内核编程正在看，感觉写得还可以，但是比较难懂，需要一定的基础
•   该书对内核进行了精简式的描述，使得人可以对内核有一个初浅的印象，同时每一章都配有demo，总体说来还是可以。
•   不知道和以前出版的有啥区别，是重新翻译校队了么
•   非常喜欢，包装也非常给力
•   内容散了点，有点像查漏补缺类型
•   书页都脱落了，明显质量不好
•   内容精减扼要，讲解了一些入门的方法与技巧。这本书的谈到了intel和powerPC的一些知识,powerPC现在很少了。如果太在意这个，就可以降低你的期望值可能会降低，但本人已经会了汇编了，所以根本不在意这个。同时我也相信，这本书中的汇编介绍根本不会让你明白汇编的。我打五分，很多技巧谈得很朴实真切的！
•   不适合初学者，看起来比较吃力
•   书的第五章竟然有10页是装订反了，而且我还没时间换，这是气死人了，这个配送员太不负责任了，书已经到地了也不发短信也不打电话，还是我去找他的，真是的，比预期整整晚了两天
•   对入门级来说还是可以的
•   稍微读了一个，感觉翻译的比较生硬。不过作为参考使用还是有点用的，和《Professional》那本相比，这本内容更集中，对一些《P》中没有详述的东西进行了更多描写，比如和x86、powerpc相关的各种实现细节。
•   比起国内某某介绍内核的比起来，该书低调…………国内这么喜欢将作者吹的天花乱坠，真是太浮躁了。看了看内容，这本书还是很值得。
•   涵盖了x86和PPC架构，讲的比较详细。若想深入内核，还得看ULK
•   这本书很多地方都看到没货，评价还行，而且买的时候无意中看到是最后一本。译者和《深入理解Linux内核》是同一人，书还没看，纸质N烂~等了一个星期才发货，收到书的时候已经过了11天！书还没仔细看，不敢妄加评论~
•   适合内核开发者。
•   Linux才是正道
•   感觉写的不是很好啊
•   作爲參考
•   初次阅读，觉得不错
•   这本书很新还不错
•   Linux经典图书
•   通俗易懂，提纲挈领，比较基础
•   纸张不如书店的