奔跑吧Linux核心（第2版）卷1：基礎架構

《奔跑吧Linux核心（第2版）卷1：基礎架構》是人民郵電出版社出版的圖書，作者是笨叔。

基本介紹

• 中文名：奔跑吧Linux核心（第2版）卷1：基礎架構 
• 作者：笨叔
• 出版時間：2020年12月
• 出版社：人民郵電出版社
• ISBN：9787115549990
• 定價：139 元
• 裝幀：平裝

內容簡介

本書基於Linux 5.x核心的原始碼講述Linux核心中核心模組的實現。本書主要介紹ARM64架構、Linux核心記憶體管理以及進程管理和調度三大塊內容。本書重點介紹Linux核心重要的基礎架構實現原理。本書共9章，主要內容包括ARM64架構，ARM64在Linux核心中的實現，記憶體管理的預備知識，物理記憶體與虛擬記憶體，記憶體管理的高級主題，記憶體管理的實戰案例，進程管理的基礎知識，進行管理中的調度和負載均衡，進程管理中的調試與案例分析。本書適合從事Linux系統開發人員、嵌入式系統開發人員及Android開發人員閱讀，也可供計算機專業的師生閱讀。

圖書目錄

第　1章 處理器架構　1

1．1　處理器架構介紹　3

1．1．1　精簡指令集和複雜指令集　3

1．1．2　大/小端位元組序　3

1．1．3　一條存儲讀寫指令的

執行全過程　4

1．1．4　記憶體屏障產生的原因　8

1．1．5　高速快取的工作方式　10

1．1．6　高速快取的映射方式　11

1．1．7　組相聯的高速快取　13

1．1．8　PIPT和VIVT的區別　14

1．1．9　頁表的創建和查詢過程　17

1．1．10　TLB　21

1．1．11　MESI協定　21

1．1．12　高速快取偽共享　26

1．1．13　高速快取在Linux核心中的

套用　27

1．1．14　ARM的大/小核架構　28

1．1．15　高速快取一致性和一致性

記憶體模型　30

1．1．16　高速快取的回寫策略和

替換策略　30

1．1．17　NUMA　31

1．1．18　ARM處理器設計　32

1．1．19　最新進展　33

1．2　ARM64架構　34

1．2．1　ARMv8-A架構　34

1．2．2　採用ARMv8架構的常見處理器

核心　35

1．2．3　ARMv8架構中的基本概念　35

1．2．4　ARMv8處理器執行狀態　36

1．2．5　ARMv8支持的數據寬度　36

1．2．6　不對齊訪問　37

1．3　ARMv8暫存器　37

1．3．1　通用暫存器　37

1．3．2　處理器狀態　38

1．3．3　特殊暫存器　39

1．3．4　系統暫存器　41

1．4　A64指令集　42

1．4．1　常用的算術和搬移指令　42

1．4．2　乘法和除法指令　43

1．4．3　移位操作指令　45

1．4．4　位操作指令　45

1．4．5　條件操作　47

1．4．6　記憶體載入指令　48

1．4．7　多位元組記憶體載入和存儲指令　50

1．4．8　非特權訪問級別的載入和存儲

指令　50

1．4．9　記憶體屏障指令簡介　51

1．4．10　獨占記憶體訪問指令　51

1．4．11　跳轉與比較指令　52

1．4．12　異常處理指令　53

1．4．13　系統暫存器訪問指令　54

1．5　GCC內聯彙編　55

1．6　函式調用標準和棧布局　57

1．7　ARM64異常處理　59

1．7．1　異常類型　59

1．7．2　同步異常和異步異常　60

1．7．3　異常發生後的處理　60

第　2章 ARM64在Linux核心中的實現　62

2．1　ARM64記憶體管理　63

2．1．1　頁表　63

2．1．2　頁表映射　64

2．1．3　頁表項描述符　65

2．1．4　Linux核心中的頁表　68

2．1．5　ARM64核心記憶體分布　74

2．1．6　案例分析：ARM64的頁表映射

過程　78

2．2　高速快取管理　84

2．3　TLB管理　87

2．4　記憶體屬性　90

2．4．1　記憶體屬性　91

2．4．2　高速快取共享屬性　94

2．5　記憶體屏障　95

2．5．1　記憶體屏障指令　95

2．5．2　載入-獲取屏障原語與存儲-

釋放屏障原語　96

2．6　Linux核心彙編代碼分析　97

2．6．1　連結檔案基礎知識　97

2．6．2　vmlinux．lds．S檔案分析　99

2．6．3　啟動彙編代碼　102

2．6．4　創建恆等映射和核心映像

映射　106

2．6．5　__cpu_setup函式分析　114

2．6．6　__primary_switch函式分析　117

2．7　關於頁表的常見疑問　120

2．7．1　關於下一級頁表基地址　121

2．7．2　軟體遍歷頁表　121

第3章　記憶體管理之預備知識　124

3．1　從硬體角度看記憶體管理　126

3．1．1　記憶體管理的“遠古時代”　126

3．1．2　分段機制　127

3．1．3　分頁機制　128

3．1．4　虛擬地址到物理地址的

轉換　128

3．2　從軟體角度看記憶體管理　129

3．2．1　從Linux系統使用者的角度看

記憶體管理　129

3．2．2　從Linux應用程式開發人員的

角度看記憶體管理　130

3．2．3　從記憶體分布的角度看

記憶體管理　131

3．2．4　從進程的角度看記憶體管理　131

3．2．5　從Linux核心的角度看

記憶體管理　135

3．3　物理記憶體管理之預備知識　136

3．3．1　記憶體架構之UMA和NUMA　136

3．3．2　記憶體管理之數據結構　138

3．3．3　記憶體大小　140

3．3．4　物理記憶體映射　141

3．3．5　zone初始化　143

3．3．6　空間劃分　145

3．3．7　物理記憶體初始化　146

第4章　物理記憶體與虛擬記憶體　152

4．1　頁面分配之快速路徑　153

4．1．1　分配物理頁面的接口函式　154

4．1．2　分配掩碼　155

4．1．3　alloc_pages()函式　158

4．1．4　get_page_from_freelist()函式　162

4．1．5　zone_watermark_fast()函式　164

4．1．6　rmqueue()函式　165

4．1．7　釋放頁面　167

4．1．8　小結　170

4．2　slab分配器　170

4．2．1　slab分配器產生的背景　170

4．2．2　創建slab描述符　173

4．2．3　slab分配器的記憶體布局　176

4．2．4　配置slab描述符　178

4．2．5　分配slab對象　180

4．2．6　釋放slab快取對象　183

4．2．7　slab分配器和夥伴系統的接口

函式　185

4．2．8　管理區　185

4．2．9　kmalloc()　188

4．2．10　小結　189

4．3　vmalloc()　190

4．4　虛擬記憶體管理之進程地址空間　194

4．4．1　進程地址空間　194

4．4．2　mm_struct數據結構　195

4．4．3　VMA數據結構　197

4．4．4　VMA的屬性　199

4．4．5　查找VMA　201

4．4．6　插入VMA　203

4．4．7　合併VMA　206

4．4．8　紅黑樹例子　207

4．4．9　小結　209

4．5　malloc()　210

4．5．1　brk系統調用　210

4．5．2　用戶態地址空間劃分　212

4．5．3　__do_sys_brk()函式　213

4．5．4　do_brk_flags()函式　213

4．5．5　＿mm＿populate()函式　215

4．5．6　get_user_pages()函式　216

4．5．7　小結　220

4．6　mmap　223

4．6．1　mmap概述　223

4．6．2　小結　225

4．7　缺頁異常處理　227

4．7．1　ARM64缺頁異常的底層處理

流程　228

4．7．2　do_page_fault()函式　234

4．7．3　handle_mm_fault()函式　237

4．7．4　匿名頁面缺頁中斷　240

4．7．5　系統零頁　241

4．7．6　檔案映射缺頁中斷　242

4．7．7　寫時複製　245

4．7．8　ARM64硬體DBM機制導致的

競爭問題　248

4．7．9　關於pte_offset_map()安全使用的

問題　251

4．7．10　關於寫時複製的競爭問題　253

4．7．11　為什麼要在切換頁表項之前

刷新TLB　256

4．7．12　缺頁異常引發的死鎖　257

4．7．13　小結　257

第5章　記憶體管理之高級主題　259

5．1　page　260

5．1．1　page數據結構　260

5．1．2　_refcount的套用　265

5．1．3　_mapcount的套用　268

5．1．4　PG_Locked　269

5．1．5　mapping成員的妙用　270

5．1．6　和page相關的幾個接口函式　271

5．1．7　小結　272

5．2　RMAP　272

5．2．1　RMAP的主要數據結構　273

5．2．2　父進程產生匿名頁面　274

5．2．3　根據父進程創建子進程　277

5．2．4　子進程發生寫時複製　280

5．2．5　RMAP的套用　281

5．2．6　小結　283

5．3　頁面回收　285

5．3．1　LRU鍊表　285

5．3．2　第二次機會法　288

5．3．3　觸發頁面回收　293

5．3．4　kswapd核心執行緒　293

5．3．5　balance_pgdat()函式　296

5．3．6　shrink_node()函式　298

5．3．7　shrink_active_list()函式　302

5．3．8　shrink_inactive_list()函式　304

5．3．9　跟蹤LRU活動情況　308

5．3．10　頁面回收機制　309

5．3．11　Refault Distance算法　312

5．3．12　小結　317

5．4　匿名頁面生命周期　318

5．4．1　匿名頁面的產生　319

5．4．2　匿名頁面的使用　319

5．4．3　匿名頁面的換出　319

5．4．4　匿名頁面的換入　321

5．4．5　匿名頁面的銷毀　321

5．5　頁面遷移　321

5．5．1　哪些頁面可以遷移　322

5．5．2　頁面遷移主函式　322

5．5．3　move_to_new_page()函式　324

5．5．4　遷移頁表　325

5．5．5　遷移非LRU頁面　326

5．5．6　小結　328

5．6　記憶體規整　329

5．6．1　記憶體規整的基本原理　329

5．6．2　觸發記憶體規整　330

5．6．3　直接記憶體規整　330

5．6．4　compact_zone()函式　333

5．6．5　哪些頁面適合做記憶體規整　338

5．7　KSM　339

5．7．1　使能KSM　339

5．7．2　KSM基本實現　343

5．7．3　KSM數據結構　345

5．7．4　新版本KSM的新特性　345

5．7．5　malloc()分配的頁面可以被

KSM掃描嗎　353

5．7．6　合併頁面　355

5．7．7　一個有趣的計算公式　358

5．7．8　page->index的值　359

5．7．9　小結　360

5．8　頁面分配之慢速路徑　362

5．8．1　alloc_pages_slowpath()函式　362

5．8．2　水位管理和分配優先權　367

5．9　記憶體碎片化管理　368

5．9．1　夥伴系統算法如何減少

記憶體碎片　368

5．9．2　頁面遷移類型和記憶體規整　370

5．9．3　Linux 5．0核心新增的反碎片

最佳化　371

第6章　記憶體管理之實戰案例分析　375

6．1　記憶體管理日誌信息和調試信息　375

6．1．1　vm_stat計數值　375

6．1．2　meminfo分析　377

6．1．3　夥伴系統信息　383

6．1．4　查看記憶體管理區的信息　383

6．1．5　查看與進程相關的記憶體信息　385

6．1．6　為什麼S_swap與P_swap

不相等　387

6．1．7　解讀OOM Killer機制輸出的

日誌信息　388

6．1．8　解讀缺頁異常後輸出的宕機

日誌信息　394

6．2　記憶體管理調優參數　400

6．2．1　影響記憶體管理區水位的調優

參數min_free_kbytes　401

6．2．2　影響頁面分配的參數

lowmem_reserve_ratio　402

6．2．3　影響頁面回收的參數　404

6．2．4　影響髒頁回寫的參數　406

6．3　記憶體管理實戰案例分析　407

6．3．1　案例一：缺頁異常和檔案系統

引發的宕機　407

6．3．2　案例二：KSM和NUMA引發的

虛擬機宕機　410

6．3．3　案例三：為什麼無法分配一個

頁面　415

6．3．4　案例四：秘密任務——動態修改

系統調用表引發的4次宕機　420

第7章　進程管理之基本概念　430

7．1　關於進程的基本概念　431

7．1．1　進程的來由　431

7．1．2　進程描述符　432

7．1．3　進程的生命周期　434

7．1．4　進程標識　436

7．1．5　進程間的家族關係　436

7．1．6　獲取當前進程　438

7．1．7　進程0和進程1　440

7．2　與進程創建和終止相關的作業系統

原語　441

7．2．1　寫時複製技術　442

7．2．2　fork()函式　443

7．2．3　vfork()函式　444

7．2．4　clone()函式　445

7．2．5　核心執行緒　445

7．2．6　終止進程　446

7．2．7　殭屍進程和進程託孤　446

7．3　代碼分析：進程的創建和終止　447

7．3．1　_do_fork()函式分析　447

7．3．2　copy_process()函式分析　449

7．3．3　dup_task_struct()函式分析　453

7．3．4　sched_fork()函式分析　453

7．3．5　copy_mm()函式分析　454

7．3．6　進程創建後的返回　458

7．4　進程調度原語　461

7．4．1　進程分類　461

7．4．2　進程優先權和權重　461

7．4．3　調度策略　463

7．4．4　時間片　465

7．4．5　經典調度算法　465

7．4．6　Linux核心的O (n)調度算法　467

7．4．7　Linux核心的O (1)調度算法　467

7．4．8　Linux核心的CFS　468

第8章　進程管理之調度與負載均衡　469

8．1　CFS　470

8．1．1　vruntime的計算　471

8．1．2　調度器的數據結構　474

8．1．3　對進程創建代碼的分析　479

8．1．4　對進程加入調度器的代碼的

分析　483

8．1．5　進程調度　485

8．1．6　進程切換　488

8．1．7　調度節拍　497

8．1．8　組調度機制　498

8．1．9　小結　502

8．2　負載計算　503

8．2．1　如何衡量一個CPU的負載　503

8．2．2　工作負載和量化負載　504

8．2．3　歷史累計衰減的計算　505

8．2．4　量化負載的計算　506

8．2．5　實際算力的計算　507

8．2．6　sched_avg數據結構　508

8．2．7　PELT代碼分析　510

8．2．8　PELT接口函式　516

8．3　SMP負載均衡　517

8．3．1　CPU管理點陣圖　517

8．3．2　CPU調度域　519

8．3．3　建立CPU調度域拓撲關係　522

8．3．4　負載均衡　529

8．3．5　喚醒進程　536

8．3．6　wake affine特性　538

8．3．7　調試　541

8．3．8　小結　542

8．4　綠色節能調度器　542

8．4．1　量化計算能力　545

8．4．2　能效模型　548

8．4．3　OPP子系統　551

8．4．4　初始化CPUfreq-dt驅動程式　556

8．4．5　註冊能效模型子系統　557

8．4．6　該選擇哪個CPU來執行喚醒

進程p呢　561

8．4．7　overutilized條件判斷　569

8．4．8　CPU動態調頻　570

8．4．9　小結　573

8．5　實時調度　574

8．5．1　實時延時分析　574

8．5．2　Linux核心實時性改進　576

第9章　進程管理之調試與案例分析　580

9．1　進程管理之調試　580

9．1．1　查看與進程相關的調度信息　580

9．1．2　查看CFS的信息　582

9．1．3　查看調度域信息　585

9．1．4　與調度相關的調試節點　586

9．2　綜合案例分析——系統調度　587

9．3　進程管理　589

9．3．1　進程的本質　589

9．3．2　逃離不掉的進程優先權　590

9．3．3　調度器的選擇　591

9．3．4　用四維空間來理解負載　591

9．3．5　案例分析——為何不能

調度　592