奔跑吧Linux內(nèi)核入門篇（第2版）

目　　錄
第1章　Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)知識　1
1．1　Linux系統(tǒng)的發(fā)展歷史　1
1．2　Linux發(fā)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(yōu)麒麟Linux　4
1．3　Linux內(nèi)核介紹　5
1．3．1　Linux內(nèi)核目錄結(jié)構(gòu)　5
1．3．2　宏內(nèi)核和微內(nèi)核　7
1．3．3　Linux內(nèi)核概貌　8
1．4　如何學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核　11
1．5　Linux內(nèi)核實(shí)驗(yàn)入門　12
1．5．1　實(shí)驗(yàn)1-1：在虛擬機(jī)中安裝
優(yōu)麒麟Linux 20．04系統(tǒng)　12
1．5．2　實(shí)驗(yàn)1-2：給優(yōu)麒麟Linux
系統(tǒng)更換“心臟”　15
1．5．3　實(shí)驗(yàn)1-3：使用QEMU虛擬機(jī)
來運(yùn)行Linux系統(tǒng)　17
1．5．4　實(shí)驗(yàn)1-4：創(chuàng)建基于Ubuntu
Linux的根文件系統(tǒng)　22
1．5．5　實(shí)驗(yàn)1-5：創(chuàng)建基于QEMU +
RISC-V的Linux系統(tǒng)　22
第2章　Linux內(nèi)核基礎(chǔ)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內(nèi)核中常用的C語言
技巧　27
2．3　Linux內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和
算法　33
2．3．1　鏈表　33
2．3．2　紅黑樹　36
2．3．3　無鎖環(huán)形緩沖區(qū)　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光標(biāo)的移動　42
2．4．5　刪除、復(fù)制和粘貼　43
2．4．6　查找和替換　43
2．4．7　與文件相關(guān)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(shí)驗(yàn)　50
2．6．1　實(shí)驗(yàn)2-1：GCC編譯　50
2．6．2　實(shí)驗(yàn)2-2：內(nèi)核鏈表　54
2．6．3　實(shí)驗(yàn)2-3：紅黑樹　54
2．6．4　實(shí)驗(yàn)2-4：使用Vim
工具　54
2．6．5　實(shí)驗(yàn)2-5：把Vim打造成一個
強(qiáng)大的IDE編輯工具　55
2．6．6　實(shí)驗(yàn)2-6：建立一個git本地
倉庫　63
2．6．7　實(shí)驗(yàn)2-7：解決分支合并
沖突　65
2．6．8　實(shí)驗(yàn)2-8：利用git來管理
Linux內(nèi)核開發(fā)　67
2．6．9　實(shí)驗(yàn)2-9：利用git來管理
項(xiàng)目代碼　69
第3章　ARM64架構(gòu)基礎(chǔ)知識　75
3．1　ARM64架構(gòu)介紹　76
3．1．1　ARMv8-A架構(gòu)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(yùn)行
狀態(tài)　78
3．1．5　ARMv8架構(gòu)支持的數(shù)據(jù)
寬度　79
3．1．6　不對齊訪問　79
3．2　ARMv8寄存器　79
3．2．1　通用寄存器　79
3．2．2　處理器狀態(tài)寄存器　80
3．2．3　特殊寄存器　82
3．2．4　系統(tǒng)寄存器　84
3．3　A64指令集　85
3．3．1　算術(shù)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　內(nèi)存加載指令　89
3．3．7　多字節(jié)內(nèi)存加載和存儲
指令　91
3．3．8　非特權(quán)訪問級別的加載和
存儲指令　91
3．3．9　內(nèi)存屏障指令　92
3．3．10　獨(dú)占訪存指令　92
3．3．11　跳轉(zhuǎn)指令　92
3．3．12　異常處理指令　93
3．3．13　系統(tǒng)寄存器訪問指令　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?！?6
3．4．3　異常的發(fā)生和退出　96
3．4．4　異常向量表　97
3．5　ARM64內(nèi)存管理　99
3．5．1　頁表　100
3．5．2　頁表映射　101
3．6　實(shí)驗(yàn)平臺：樹莓派　102
3．6．1　樹莓派4介紹　103
3．6．2　實(shí)驗(yàn)3-1：在樹莓派上安裝
優(yōu)麒麟Linux 20．04
系統(tǒng)　104
3．6．3　實(shí)驗(yàn)3-2：匯編語言
練習(xí)—查找最大數(shù)　105
3．6．4　實(shí)驗(yàn)3-3：匯編語言
練習(xí)—通過C語言
調(diào)用匯編函數(shù)　105
3．6．5　實(shí)驗(yàn)3-4：匯編語言
練習(xí)—通過匯編語言
調(diào)用C函數(shù)　106
3．6．6　實(shí)驗(yàn)3-5：匯編語言
練習(xí)—GCC內(nèi)聯(lián)匯編　106
3．6．7　實(shí)驗(yàn)3-6：在樹莓派上編寫
一個裸機(jī)程序　106
第4章　內(nèi)核編譯和調(diào)試　107
4．1　內(nèi)核配置　107
4．1．1　內(nèi)核配置工具　107
4．1．2?。甤onfig文件　108
4．2　實(shí)驗(yàn)4-1：通過QEMU虛擬機(jī)
調(diào)試ARMv8的Linux內(nèi)核　110
4．3　實(shí)驗(yàn)4-2：通過Eclipse + QEMU
單步調(diào)試內(nèi)核　111
第5章　內(nèi)核模塊　116
5．1　從一個內(nèi)核模塊開始　116
5．2　模塊參數(shù)　120
5．3　符號共享　122
5．4　實(shí)驗(yàn)　123
5．4．1　實(shí)驗(yàn)5-1：編寫一個簡單的
內(nèi)核模塊　123
5．4．2　實(shí)驗(yàn)5-2：向內(nèi)核模塊傳遞
參數(shù)　124
5．4．3　實(shí)驗(yàn)5-3：在模塊之間導(dǎo)出
符號　124
第6章　簡單的字符設(shè)備驅(qū)動　125
6．1　從一個簡單的字符設(shè)備開始　126
6．1．1　一個簡單的字符設(shè)備　126
6．1．2　實(shí)驗(yàn)6-1：寫一個簡單的
字符設(shè)備驅(qū)動　131
6．2　字符設(shè)備驅(qū)動詳解　131
6．2．1　字符設(shè)備驅(qū)動的抽象　131
6．2．2　設(shè)備號的管理　133
6．2．3　設(shè)備節(jié)點(diǎn)　133
6．2．4　字符設(shè)備操作方法集　134
6．3　misc機(jī)制　136
6．3．1　misc機(jī)制介紹　136
6．3．2　實(shí)驗(yàn)6-2：使用misc機(jī)制
來創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動　136
6．4　一個簡單的虛擬設(shè)備　138
6．4．1　實(shí)驗(yàn)6-3：為虛擬設(shè)備
編寫驅(qū)動　138
6．4．2　實(shí)驗(yàn)6-4：使用KFIFO環(huán)形
緩沖區(qū)改進(jìn)設(shè)備驅(qū)動　141
6．5　阻塞I/O和非阻塞I/O　143
6．5．1　實(shí)驗(yàn)6-5：把虛擬設(shè)備驅(qū)動
改成非阻塞模式　144
6．5．2　實(shí)驗(yàn)6-6：把虛擬設(shè)備驅(qū)動
改成阻塞模式　147
6．6　I/O多路復(fù)用　151
6．6．1　Linux內(nèi)核的I/O多路
復(fù)用　151
6．6．2　實(shí)驗(yàn)6-7：向虛擬設(shè)備中
添加I/O多路復(fù)用支持　152
6．6．3　實(shí)驗(yàn)6-8：為什么不能喚醒
讀寫進(jìn)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(shí)驗(yàn)6-9：向虛擬設(shè)備添加
異步通知　159
6．7．3　實(shí)驗(yàn)6-10：解決驅(qū)動的
宕機(jī)難題　163
6．8　本章小結(jié)　164
第7章　系統(tǒng)調(diào)用　166
7．1　系統(tǒng)調(diào)用的概念　166
7．1．1　系統(tǒng)調(diào)用和POSIX標(biāo)準(zhǔn)　167
7．1．2　系統(tǒng)調(diào)用表　167
7．1．3　用程序訪問系統(tǒng)調(diào)用　169
7．1．4　新增系統(tǒng)調(diào)用　170
7．2　實(shí)驗(yàn)　170
7．2．1　實(shí)驗(yàn)7-1：在樹莓派上新增
一個系統(tǒng)調(diào)用　170
7．2．2　實(shí)驗(yàn)7-2：在Linux主機(jī)上
新增一個系統(tǒng)調(diào)用　170
第8章　進(jìn)程管理　172
8．1　進(jìn)程　172
8．1．1　進(jìn)程的由來　172
8．1．2　進(jìn)程描述符　174
8．1．3　進(jìn)程的生命周期　176
8．1．4　進(jìn)程標(biāo)識　178
8．1．5　進(jìn)程間的家族關(guān)系　179
8．1．6　獲取當(dāng)前進(jìn)程　181
8．2　進(jìn)程的創(chuàng)建和終止　183
8．2．1　寫時(shí)復(fù)制技術(shù)　185
8．2．2　fork()函數(shù)　186
8．2．3　vfork()函數(shù)　187
8．2．4　clone()函數(shù)　187
8．2．5　內(nèi)核線程　188
8．2．6　do_fork()函數(shù)　189
8．2．7　終止進(jìn)程　191
8．2．8　僵尸進(jìn)程和托孤進(jìn)程　191
8．2．9　進(jìn)程0和進(jìn)程1　192
8．3　進(jìn)程調(diào)度　193
8．3．1　進(jìn)程的分類　193
8．3．2　進(jìn)程的優(yōu)先級和權(quán)重　193
8．3．3　調(diào)度策略　195
8．3．4　時(shí)間片　198
8．3．5　經(jīng)典調(diào)度算法　198
8．3．6　Linux O(n)調(diào)度算法　200
8．3．7　Linux O(1)調(diào)度算法　200
8．3．8　Linux CFS算法　201
8．3．9　進(jìn)程切換　204
8．3．10　與調(diào)度相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　210
8．4　多核調(diào)度　214
8．4．1　調(diào)度域和調(diào)度組　215
8．4．2　負(fù)載的計(jì)算　218
8．4．3　負(fù)載均衡算法　221
8．4．4　Per-CPU變量　222
8．5　實(shí)驗(yàn)　223
8．5．1　實(shí)驗(yàn)8-1：fork和clone系統(tǒng)
調(diào)用　223
8．5．2　實(shí)驗(yàn)8-2：內(nèi)核線程　224
8．5．3　實(shí)驗(yàn)8-3：后臺守護(hù)進(jìn)程　224
8．5．4　實(shí)驗(yàn)8-4：進(jìn)程權(quán)限　224
8．5．5　實(shí)驗(yàn)8-5：設(shè)置優(yōu)先級　224
8．5．6　實(shí)驗(yàn)8-6：Per-CPU變量　225
第9章　內(nèi)存管理　226
9．1　從硬件角度看內(nèi)存管理　226
9．1．1　內(nèi)存管理的“遠(yuǎn)古
時(shí)代”　226
9．1．2　地址空間的抽象　228
9．1．3　分段機(jī)制　229
9．1．4　分頁機(jī)制　230
9．2　從軟件角度看內(nèi)存管理　234
9．2．1　free命令　234
9．2．2　從應(yīng)用編程角度看內(nèi)存
管理　235
9．2．3　從內(nèi)存布局圖角度看內(nèi)存
管理　236
9．2．4　從進(jìn)程角度看內(nèi)存管理　239
9．2．5　從內(nèi)核角度看內(nèi)存管理　243
9．3　物理內(nèi)存管理　244
9．3．1　物理頁面　244
9．3．2　內(nèi)存管理區(qū)　250
9．3．3　分配和釋放頁面　252
9．3．4　關(guān)于內(nèi)存碎片化　258
9．3．5　分配小塊內(nèi)存　260
9．4　虛擬內(nèi)存管理　268
9．4．1　進(jìn)程地址空間　268
9．4．2　內(nèi)存描述符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()函數(shù)　277
9．4．7　mmap()/munmap()函數(shù)　280
9．5　缺頁異?！?84
9．5．1　do_page_fault()函數(shù)　285
9．5．2　匿名頁面缺頁異?！?86
9．5．3　文件映射缺頁中斷　286
9．5．4　寫時(shí)復(fù)制缺頁異?！?87
9．6　內(nèi)存短缺　287
9．6．1　頁面回收算法　287
9．6．2　OOM Killer機(jī)制　289
9．7　內(nèi)存管理日志信息以及調(diào)試
信息　289
9．7．1　vm_stat計(jì)數(shù)　289
9．7．2　meminfo分析　291
9．7．3　伙伴系統(tǒng)信息　293
9．7．4　查看內(nèi)存管理區(qū)的信息　294
9．7．5　查看進(jìn)程相關(guān)的內(nèi)存
信息　296
9．7．6　查看系統(tǒng)內(nèi)存信息的
工具　298
9．8　內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)　300
9．8．1　實(shí)驗(yàn)9-1：查看系統(tǒng)內(nèi)存
信息　301
9．8．2　實(shí)驗(yàn)9-2：獲取系統(tǒng)的物理
內(nèi)存信息　301
9．8．3　實(shí)驗(yàn)9-3：分配內(nèi)存　301
9．8．4　實(shí)驗(yàn)9-4：slab　302
9．8．5　實(shí)驗(yàn)9-5：VMA　302
9．8．6　實(shí)驗(yàn)9-6：mmap　302
9．8．7　實(shí)驗(yàn)9-7：映射用戶
內(nèi)存　303
9．8．8　實(shí)驗(yàn)9-8：OOM　303
第10章　同步管理　304
10．1　原子操作與內(nèi)存屏障　305
10．1．1　原子操作　305
10．1．2　內(nèi)存屏障　309
10．2　自旋鎖機(jī)制　310
10．2．1　自旋鎖的定義　310
10．2．2　Qspinlock的實(shí)現(xiàn)　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　等待隊(duì)列　323
10．7．1　等待隊(duì)列頭　323
10．7．2　等待隊(duì)列節(jié)點(diǎn)　324
10．8　實(shí)驗(yàn)　324
10．8．1　實(shí)驗(yàn)10-1：自旋鎖　324
10．8．2　實(shí)驗(yàn)10-2：互斥鎖　325
10．8．3　實(shí)驗(yàn)10-3：RCU鎖　325
第11章　中斷管理　326
11．1　Linux中斷管理機(jī)制　326
11．1．1　ARM中斷控制器　327
11．1．2　關(guān)于ARM Vexpress V2P
開發(fā)板的例子　327
11．1．3　關(guān)于Virt開發(fā)板的例子　329
11．1．4　硬件中斷號和Linux中斷號
的映射　330
11．1．5　注冊中斷　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(jié)　337
11．3　工作隊(duì)列機(jī)制　337
11．3．1　工作隊(duì)列的類型　338
11．3．2　使用工作隊(duì)列　340
11．3．3　小結(jié)　340
11．4　實(shí)驗(yàn)　341
11．4．1　實(shí)驗(yàn)11-1：tasklet　341
11．4．2　實(shí)驗(yàn)11-2：工作隊(duì)列　341
11．4．3　實(shí)驗(yàn)11-3：定時(shí)器和
內(nèi)核線程　341
第12章　調(diào)試和性能優(yōu)化　343
12．1　printk()輸出函數(shù)和動態(tài)輸出　343
12．1．1　printk()輸出函數(shù)　343
12．1．2　動態(tài)輸出　345
12．1．3　實(shí)驗(yàn)12-1：使用printk()
輸出函數(shù)　347
12．1．4　實(shí)驗(yàn)12-2：使用動態(tài)
輸出　347
12．2　proc和debugfs　347
12．2．1　proc文件系統(tǒng)　347
12．2．2　sys文件系統(tǒng)　350
12．2．3　debugfs文件系統(tǒng)　351
12．2．4　實(shí)驗(yàn)12-3：使用procfs　351
12．2．5　實(shí)驗(yàn)12-4：使用sysfs　353
12．2．6　實(shí)驗(yàn)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(tài)ftrace　359
12．3．4　事件跟蹤　361
12．3．5　實(shí)驗(yàn)12-6：使用ftrace　363
12．3．6　實(shí)驗(yàn)12-7：添加新的
跟蹤點(diǎn)　363
12．3．7　實(shí)驗(yàn)12-8：使用示蹤
標(biāo)志　366
12．3．8　實(shí)驗(yàn)12-9：使用kernelshark
分析數(shù)據(jù)　369
12．4　分析Oops錯誤　371
12．4．1　Oops錯誤介紹　371
12．4．2　實(shí)驗(yàn)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采集數(shù)據(jù)　377
12．5．3　perf stat　378
12．5．4　perf top　379
12．5．5　實(shí)驗(yàn)12-11：使用perf工具
進(jìn)行性能分析　380
12．5．6　實(shí)驗(yàn)12-12：采集perf數(shù)據(jù)
以生成火焰圖　381
12．6　內(nèi)存檢測　381
12．6．1　實(shí)驗(yàn)12-13：使用slub_debug
檢查內(nèi)存泄漏　382
12．6．2　實(shí)驗(yàn)12-14：使用kmemleak
檢查內(nèi)存泄漏　387
12．6．3　實(shí)驗(yàn)12-15：使用kasan檢查
內(nèi)存泄漏　389
12．6．4　實(shí)驗(yàn)12-16：使用valgrind
檢查內(nèi)存泄漏　393
12．7　使用kdump解決死機(jī)問題　394
12．7．1　kdump介紹　394
12．7．2　實(shí)驗(yàn)12-17：搭建ARM64的
kdump實(shí)驗(yàn)環(huán)境　395
12．7．3　實(shí)驗(yàn)12-18：分析一個簡單的
宕機(jī)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(shí)驗(yàn)12-19：運(yùn)行BCC
工具進(jìn)行性能測試　404
第13章　開源社區(qū)　405
13．1　什么是開源社區(qū)　405
13．1．1　開源軟件的發(fā)展歷史　405
13．1．2　Linux基金會　406
13．1．3　開源協(xié)議　406
13．1．4　Linux內(nèi)核社區(qū)　408
13．1．5　國內(nèi)開源社區(qū)　409
13．2　參與開源社區(qū)　409
13．2．1　參與開源項(xiàng)目的
好處　409
13．2．2　如何參與開源項(xiàng)目　410
13．3　實(shí)驗(yàn)13-1：使用cppcheck檢查
代碼　411
13．4　實(shí)驗(yàn)13-2：提交第一個Linux
內(nèi)核補(bǔ)丁　412
13．5　實(shí)驗(yàn)13-3：管理和提交多個補(bǔ)丁
組成的補(bǔ)丁集　414
第14章　文件系統(tǒng)　419
14．1　文件系統(tǒng)的基本概念　419
14．1．1　文件　419
14．1．2　目錄　422
14．2　文件系統(tǒng)的基本概念和
知識　423
14．2．1　文件系統(tǒng)的布局　423
14．2．2　索引數(shù)據(jù)塊　428
14．2．3　管理空閑塊　430
14．2．4　高速緩存　430
14．3　虛擬文件系統(tǒng)層　431
14．4　文件系統(tǒng)的一致性　436
14．5　一次寫磁盤的全過程　439
14．6　文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)　440
14．6．1　實(shí)驗(yàn)14-1：查看文件
系統(tǒng)　440
14．6．2　實(shí)驗(yàn)14-2：刪除文件
內(nèi)容　441
14．6．3　實(shí)驗(yàn)14-3：塊設(shè)備　441
14．6．4　實(shí)驗(yàn)14-4：動手寫一個簡單
的文件系統(tǒng)　441
第15章　虛擬化與云計(jì)算　442
15．1　虛擬化技術(shù)　442
15．1．1　虛擬化技術(shù)的發(fā)展
歷史　442
15．1．2　虛擬機(jī)管理程序的
分類　444
15．1．3　內(nèi)存虛擬化　445
15．1．4　I/O虛擬化　445
15．2　容器技術(shù)　446
15．3　云計(jì)算　448
15．3．1　云編排　450
15．3．2　OpenStack介紹　451
15．3．3　Kubernetes介紹　451
15．4　實(shí)驗(yàn)　452
15．4．1　實(shí)驗(yàn)15-1：制作Docker
鏡像并發(fā)布　452
15．4．2　實(shí)驗(yàn)15-2：部署Kubernetes
服務(wù)　452
第16章　綜合能力訓(xùn)練：動手寫一個
小OS　453
16．1　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備　454
16．1．1　開發(fā)流程　454
16．1．2　配置串口線　454
16．1．3　寄存器地址　457
16．2　入門動手篇　457
16．2．1　實(shí)驗(yàn)16-1：輸出
“Welcome BenOS!”　457
16．2．2　使用GDB + QEMU調(diào)試
BenOS　465
16．2．3　使用J-Link仿真器調(diào)試樹
莓派　466
16．2．4　實(shí)驗(yàn)16-2：切換異常
等級　473
16．2．5　實(shí)驗(yàn)16-3：實(shí)現(xiàn)簡易的
printk()函數(shù)　473
16．2．6　實(shí)驗(yàn)16-4：中斷　473
16．2．7　實(shí)驗(yàn)16-5：創(chuàng)建
進(jìn)程　475
16．3　進(jìn)階挑戰(zhàn)篇　475
16．4　高手完善篇　476