奔跑吧Linux核心·入門篇（第2版）

《奔跑吧Linux核心·入門篇（第2版）》是2021年人民郵電出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：奔跑吧Linux核心·入門篇（第2版）
• 作者：笨叔,陳悅 
• 出版時間：2021年
• 出版社：人民郵電出版社 
• ISBN：9787115555601

內容簡介

本書基於Linux 5.0和ARM64處理器循序漸進地講述Linux核心的理論與實驗。本書共16章，主要介紹Linux系統基礎知識、Linux核心基礎知識、ARM64架構基礎知識、核心編譯和調試、核心模組、簡單的字元設備驅動、系統調用、進程管理、記憶體管理、同步管理、中斷管理、調試和性能最佳化、開源社區、檔案系統、虛擬化與雲計算等方面的內容，並通過一個綜合能力訓練來引導讀者動手實現一個小的作業系統。

本書適合Linux開發人員、嵌入式開發人員以及對Linux感興趣的程式設計師閱讀，也適合作為高等院校計算機相關專業的教材。

圖書目錄

第1章　Linux系統基礎知識　1

1．1　Linux系統的發展歷史　1

1．2　Linux發行版　2

1．2．1　Red Hat Linux　2

1．2．2　Debian Linux　3

1．2．3　SuSE Linux　4

1．2．4　優麒麟Linux　4

1．3　Linux核心介紹　5

1．3．1　Linux核心目錄結構　5

1．3．2　宏核心和微核心　7

1．3．3　Linux核心概貌　8

1．4　如何學習Linux核心　11

1．5　Linux核心實驗入門　12

1．5．1　實驗1-1：在虛擬機中安裝

優麒麟Linux 20．04系統　12

1．5．2　實驗1-2：給優麒麟Linux

系統更換“心臟”　15

1．5．3　實驗1-3：使用QEMU虛擬機

來運行Linux系統　17

1．5．4　實驗1-4：創建基於Ubuntu

Linux的根檔案系統　22

1．5．5　實驗1-5：創建基於QEMU +

RISC-V的Linux系統　22

第2章　Linux核心基礎知識　24

2．1　Linux常用的編譯工具　24

2．1．1　GCC　24

2．1．2　ARM GCC　25

2．1．3　GCC編譯　26

2．2　Linux核心中常用的C語言

技巧　27

2．3　Linux核心中常用的數據結構和

算法　33

2．3．1　鍊表　33

2．3．2　紅黑樹　36

2．3．3　無鎖環形緩衝區　38

2．4　Vim工具的使用　40

2．4．1　Vim 8介紹　40

2．4．2　Vim的基本模式　41

2．4．3　Vim中3種模式的切換　41

2．4．4　Vim游標的移動　42

2．4．5　刪除、複製和貼上　43

2．4．6　查找和替換　43

2．4．7　與檔案相關的命令　44

2．5　git工具的使用　44

2．5．1　安裝git　45

2．5．2　git基本操作　45

2．5．3　分支管理　48

2．6　實驗　50

2．6．1　實驗2-1：GCC編譯　50

2．6．2　實驗2-2：核心鍊表　54

2．6．3　實驗2-3：紅黑樹　54

2．6．4　實驗2-4：使用Vim

工具　54

2．6．5　實驗2-5：把Vim打造成一個

強大的IDE編輯工具　55

2．6．6　實驗2-6：建立一個git本地

倉庫　63

2．6．7　實驗2-7：解決分支合併

衝突　65

2．6．8　實驗2-8：利用git來管理

Linux核心開發　67

2．6．9　實驗2-9：利用git來管理

項目代碼　69

第3章　ARM64架構基礎知識　75

3．1　ARM64架構介紹　76

3．1．1　ARMv8-A架構介紹　76

3．1．2　常見的ARMv8處理器　76

3．1．3　ARM64的基本概念　77

3．1．4　ARMv8處理器的運行

狀態　78

3．1．5　ARMv8架構支持的數據

寬度　79

3．1．6　不對齊訪問　79

3．2　ARMv8暫存器　79

3．2．1　通用暫存器　79

3．2．2　處理器狀態暫存器　80

3．2．3　特殊暫存器　82

3．2．4　系統暫存器　84

3．3　A64指令集　85

3．3．1　算術和移位操作指令　85

3．3．2　乘和除操作指令　86

3．3．3　移位操作指令　87

3．3．4　位操作指令　87

3．3．5　條件操作指令　87

3．3．6　記憶體載入指令　89

3．3．7　多位元組記憶體載入和存儲

指令　91

3．3．8　非特權訪問級別的載入和

存儲指令　91

3．3．9　記憶體屏障指令　92

3．3．10　獨占訪存指令　92

3．3．11　跳轉指令　92

3．3．12　異常處理指令　93

3．3．13　系統暫存器訪問指令　93

3．4　ARM64異常處理　95

3．4．1　異常類型　95

3．4．2　同步異常和異步異常　96

3．4．3　異常的發生和退出　96

3．4．4　異常向量表　97

3．5　ARM64記憶體管理　99

3．5．1　頁表　100

3．5．2　頁表映射　101

3．6　實驗平台：樹莓派　102

3．6．1　樹莓派4介紹　103

3．6．2　實驗3-1：在樹莓派上安裝

優麒麟Linux 20．04

系統　104

3．6．3　實驗3-2：彙編語言

練習—查找最大數　105

3．6．4　實驗3-3：彙編語言

練習—通過C語言

調用彙編函式　105

3．6．5　實驗3-4：彙編語言

練習—通過彙編語言

調用C函式　106

3．6．6　實驗3-5：彙編語言

練習—GCC內聯彙編　106

3．6．7　實驗3-6：在樹莓派上編寫

一個裸機程式　106

第4章　核心編譯和調試　107

4．1　核心配置　107

4．1．1　核心配置工具　107

4．1．2　．config檔案　108

4．2　實驗4-1：通過QEMU虛擬機

調試ARMv8的Linux核心　110

4．3　實驗4-2：通過Eclipse + QEMU

單步調試核心　111

第5章　核心模組　116

5．1　從一個核心模組開始　116

5．2　模組參數　120

5．3　符號共享　122

5．4　實驗　123

5．4．1　實驗5-1：編寫一個簡單的

核心模組　123

5．4．2　實驗5-2：向核心模組傳遞

參數　124

5．4．3　實驗5-3：在模組之間導出

符號　124

第6章　簡單的字元設備驅動　125

6．1　從一個簡單的字元設備開始　126

6．1．1　一個簡單的字元設備　126

6．1．2　實驗6-1：寫一個簡單的

字元設備驅動　131

6．2　字元設備驅動詳解　131

6．2．1　字元設備驅動的抽象　131

6．2．2　設備號的管理　133

6．2．3　設備節點　133

6．2．4　字元設備操作方法集　134

6．3　misc機制　136

6．3．1　misc機制介紹　136

6．3．2　實驗6-2：使用misc機制

來創建設備驅動　136

6．4　一個簡單的虛擬設備　138

6．4．1　實驗6-3：為虛擬設備

編寫驅動　138

6．4．2　實驗6-4：使用KFIFO環形

緩衝區改進設備驅動　141

6．5　阻塞I/O和非阻塞I/O　143

6．5．1　實驗6-5：把虛擬設備驅動

改成非阻塞模式　144

6．5．2　實驗6-6：把虛擬設備驅動

改成阻塞模式　147

6．6　I/O多路復用　151

6．6．1　Linux核心的I/O多路

復用　151

6．6．2　實驗6-7：向虛擬設備中

添加I/O多路復用支持　152

6．6．3　實驗6-8：為什麼不能喚醒

讀寫進程　157

6．7　添加異步通知　159

6．7．1　異步通知介紹　159

6．7．2　實驗6-9：向虛擬設備添加

異步通知　159

6．7．3　實驗6-10：解決驅動的

宕機難題　163

6．8　本章小結　164

第7章　系統調用　166

7．1　系統調用的概念　166

7．1．1　系統調用和POSIX標準　167

7．1．2　系統調用表　167

7．1．3　用程式訪問系統調用　169

7．1．4　新增系統調用　170

7．2　實驗　170

7．2．1　實驗7-1：在樹莓派上新增

一個系統調用　170

7．2．2　實驗7-2：在Linux主機上

新增一個系統調用　170

第8章　進程管理　172

8．1　進程　172

8．1．1　進程的由來　172

8．1．2　進程描述符　174

8．1．3　進程的生命周期　176

8．1．4　進程標識　178

8．1．5　進程間的家族關係　179

8．1．6　獲取當前進程　181

8．2　進程的創建和終止　183

8．2．1　寫時複製技術　185

8．2．2　fork()函式　186

8．2．3　vfork()函式　187

8．2．4　clone()函式　187

8．2．5　核心執行緒　188

8．2．6　do_fork()函式　189

8．2．7　終止進程　191

8．2．8　殭屍進程和託孤進程　191

8．2．9　進程0和進程1　192

8．3　進程調度　193

8．3．1　進程的分類　193

8．3．2　進程的優先權和權重　193

8．3．3　調度策略　195

8．3．4　時間片　198

8．3．5　經典調度算法　198

8．3．6　Linux O(n)調度算法　200

8．3．7　Linux O(1)調度算法　200

8．3．8　Linux CFS算法　201

8．3．9　進程切換　204

8．3．10　與調度相關的數據結構　210

8．4　多核調度　214

8．4．1　調度域和調度組　215

8．4．2　負載的計算　218

8．4．3　負載均衡算法　221

8．4．4　Per-CPU變數　222

8．5　實驗　223

8．5．1　實驗8-1：fork和clone系統

調用　223

8．5．2　實驗8-2：核心執行緒　224

8．5．3　實驗8-3：後台守護進程　224

8．5．4　實驗8-4：進程許可權　224

8．5．5　實驗8-5：設定優先權　224

8．5．6　實驗8-6：Per-CPU變數　225

第9章　記憶體管理　226

9．1　從硬體角度看記憶體管理　226

9．1．1　記憶體管理的“遠古

時代”　226

9．1．2　地址空間的抽象　228

9．1．3　分段機制　229

9．1．4　分頁機制　230

9．2　從軟體角度看記憶體管理　234

9．2．1　free命令　234

9．2．2　從套用編程角度看記憶體

管理　235

9．2．3　從記憶體布局圖角度看記憶體

管理　236

9．2．4　從進程角度看記憶體管理　239

9．2．5　從核心角度看記憶體管理　243

9．3　物理記憶體管理　244

9．3．1　物理頁面　244

9．3．2　記憶體管理區　250

9．3．3　分配和釋放頁面　252

9．3．4　關於記憶體碎片化　258

9．3．5　分配小塊記憶體　260

9．4　虛擬記憶體管理　268

9．4．1　進程地址空間　268

9．4．2　記憶體描述符mm_struct　269

9．4．3　VMA管理　270

9．4．4　VMA屬性　273

9．4．5　VMA查找操作　276

9．4．6　malloc()函式　277

9．4．7　mmap()/munmap()函式　280

9．5　缺頁異常　284

9．5．1　do_page_fault()函式　285

9．5．2　匿名頁面缺頁異常　286

9．5．3　檔案映射缺頁中斷　286

9．5．4　寫時複製缺頁異常　287

9．6　記憶體短缺　287

9．6．1　頁面回收算法　287

9．6．2　OOM Killer機制　289

9．7　記憶體管理日誌信息以及調試

信息　289

9．7．1　vm_stat計數　289

9．7．2　meminfo分析　291

9．7．3　夥伴系統信息　293

9．7．4　查看記憶體管理區的信息　294

9．7．5　查看進程相關的記憶體

信息　296

9．7．6　查看系統記憶體信息的

工具　298

9．8　記憶體管理實驗　300

9．8．1　實驗9-1：查看系統記憶體

信息　301

9．8．2　實驗9-2：獲取系統的物理

記憶體信息　301

9．8．3　實驗9-3：分配記憶體　301

9．8．4　實驗9-4：slab　302

9．8．5　實驗9-5：VMA　302

9．8．6　實驗9-6：mmap　302

9．8．7　實驗9-7：映射用戶

記憶體　303

9．8．8　實驗9-8：OOM　303

第10章　同步管理　304

10．1　原子操作與記憶體屏障　305

10．1．1　原子操作　305

10．1．2　記憶體屏障　309

10．2　自旋鎖機制　310

10．2．1　自旋鎖的定義　310

10．2．2　Qspinlock的實現　311

10．2．3　自旋鎖的變種　312

10．2．4　自旋鎖和raw_spin_lock　313

10．3　信號量　314

10．4　互斥鎖　315

10．5　讀寫鎖　317

10．5．1　讀寫鎖的定義　317

10．5．2　讀寫信號量　318

10．6　RCU　320

10．7　等待佇列　323

10．7．1　等待佇列頭　323

10．7．2　等待佇列節點　324

10．8　實驗　324

10．8．1　實驗10-1：自旋鎖　324

10．8．2　實驗10-2：互斥鎖　325

10．8．3　實驗10-3：RCU鎖　325

第11章　中斷管理　326

11．1　Linux中斷管理機制　326

11．1．1　ARM中斷控制器　327

11．1．2　關於ARM Vexpress V2P

開發板的例子　327

11．1．3　關於Virt開發板的例子　329

11．1．4　硬體中斷號和Linux中斷號

的映射　330

11．1．5　註冊中斷　331

11．2　軟中斷和tasklet　333

11．2．1　軟中斷　334

11．2．2　tasklet　335

11．2．3　local_bh_disable()/local_

bh_enable()　336

11．2．4　小結　337

11．3　工作佇列機制　337

11．3．1　工作佇列的類型　338

11．3．2　使用工作佇列　340

11．3．3　小結　340

11．4　實驗　341

11．4．1　實驗11-1：tasklet　341

11．4．2　實驗11-2：工作佇列　341

11．4．3　實驗11-3：定時器和

核心執行緒　341

第12章　調試和性能最佳化　343

12．1　printk()輸出函式和動態輸出　343

12．1．1　printk()輸出函式　343

12．1．2　動態輸出　345

12．1．3　實驗12-1：使用printk()

輸出函式　347

12．1．4　實驗12-2：使用動態

輸出　347

12．2　proc和debugfs　347

12．2．1　proc檔案系統　347

12．2．2　sys檔案系統　350

12．2．3　debugfs檔案系統　351

12．2．4　實驗12-3：使用procfs　351

12．2．5　實驗12-4：使用sysfs　353

12．2．6　實驗12-5：使用

debugfs　355

12．3　ftrace　355

12．3．1　irqsoff跟蹤器　357

12．3．2　function跟蹤器　358

12．3．3　動態ftrace　359

12．3．4　事件跟蹤　361

12．3．5　實驗12-6：使用ftrace　363

12．3．6　實驗12-7：添加新的

跟蹤點　363

12．3．7　實驗12-8：使用示蹤

標誌　366

12．3．8　實驗12-9：使用kernelshark

分析數據　369

12．4　分析Oops錯誤　371

12．4．1　Oops錯誤介紹　371

12．4．2　實驗12-10 ：分析Oops

錯誤　371

12．5　perf性能分析工具　375

12．5．1　perf list命令　376

12．5．2　利用perf採集數據　377

12．5．3　perf stat　378

12．5．4　perf top　379

12．5．5　實驗12-11：使用perf工具

進行性能分析　380

12．5．6　實驗12-12：採集perf數據

以生成火焰圖　381

12．6　記憶體檢測　381

12．6．1　實驗12-13：使用slub_debug

檢查記憶體泄漏　382

12．6．2　實驗12-14：使用kmemleak

檢查記憶體泄漏　387

12．6．3　實驗12-15：使用kasan檢查

記憶體泄漏　389

12．6．4　實驗12-16：使用valgrind

檢查記憶體泄漏　393

12．7　使用kdump解決當機問題　394

12．7．1　kdump介紹　394

12．7．2　實驗12-17：搭建ARM64的

kdump實驗環境　395

12．7．3　實驗12-18：分析一個簡單的

宕機案例　398

12．8　性能和測試　401

12．8．1　性能和測試概述　401

12．8．2　eBPF介紹　402

12．8．3　BCC介紹　403

12．8．4　實驗12-19：運行BCC

工具進行性能測試　404

第13章　開源社區　405

13．1　什麼是開源社區　405

13．1．1　開源軟體的發展歷史　405

13．1．2　Linux基金會　406

13．1．3　開源協定　406

13．1．4　Linux核心社區　408

13．1．5　國內開源社區　409

13．2　參與開源社區　409

13．2．1　參與開源項目的

好處　409

13．2．2　如何參與開源項目　410

13．3　實驗13-1：使用cppcheck檢查

代碼　411

13．4　實驗13-2：提交第一個Linux

核心補丁　412

13．5　實驗13-3：管理和提交多個補丁

組成的補丁集　414

第14章　檔案系統　419

14．1　檔案系統的基本概念　419

14．1．1　檔案　419

14．1．2　目錄　422

14．2　檔案系統的基本概念和

知識　423

14．2．1　檔案系統的布局　423

14．2．2　索引數據塊　428

14．2．3　管理空閒塊　430

14．2．4　高速快取　430

14．3　虛擬檔案系統層　431

14．4　檔案系統的一致性　436

14．5　一次寫磁碟的全過程　439

14．6　檔案系統實驗　440

14．6．1　實驗14-1：查看檔案

系統　440

14．6．2　實驗14-2：刪除檔案

內容　441

14．6．3　實驗14-3：塊設備　441

14．6．4　實驗14-4：動手寫一個簡單

的檔案系統　441

第15章　虛擬化與雲計算　442

15．1　虛擬化技術　442

15．1．1　虛擬化技術的發展

歷史　442

15．1．2　虛擬機管理程式的

分類　444

15．1．3　記憶體虛擬化　445

15．1．4　I/O虛擬化　445

15．2　容器技術　446

15．3　雲計算　448

15．3．1　雲編排　450

15．3．2　OpenStack介紹　451

15．3．3　Kubernetes介紹　451

15．4　實驗　452

15．4．1　實驗15-1：製作Docker

鏡像並發布　452

15．4．2　實驗15-2：部署Kubernetes

服務　452

第16章　綜合能力訓練：動手寫一個

小OS　453

16．1　實驗準備　454

16．1．1　開發流程　454

16．1．2　配置串口線　454

16．1．3　暫存器地址　457

16．2　入門動手篇　457

16．2．1　實驗16-1：輸出

“Welcome BenOS!”　457

16．2．2　使用GDB + QEMU調試

BenOS　465

16．2．3　使用J-Link仿真器調試樹

莓派　466

16．2．4　實驗16-2：切換異常

等級　473

16．2．5　實驗16-3：實現簡易的

printk()函式　473

16．2．6　實驗16-4：中斷　473

16．2．7　實驗16-5：創建

進程　475

16．3　進階挑戰篇　475

16．4　高手完善篇　476