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出版者:清华大学出版社

作者:沈应逵

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2004-1-1

价格:32.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302074298

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 编程入门
• 实例教程
• JavaSE
• 代码示例
• 开发指南
• 软件开发
• 计算机技术
• 编程学习
• 基础教程

《深入理解Linux内核与系统编程实践》 图书简介 本书致力于为读者提供一个全面、深入且高度实用的Linux内核机制剖析与系统编程实践的知识体系。我们拒绝停留在表面概念的罗列，而是专注于探究操作系统底层运行的精髓，并将其转化为读者手中强大的编程工具。 第一部分：Linux内核架构与核心机制解析 本部分是构建读者对现代操作系统理解的基石。我们不满足于描述“是什么”，而是深入探究“为什么”和“如何实现”。 第一章：从汇编到进程：引导与初始化流程的逆向工程 本章将带领读者穿越硬件的迷雾，从BIOS/UEFI的启动代码开始，追踪到Linux内核的第一个C代码入口点（`start_kernel`）。我们将详尽剖析内存管理单元（MMU）的初始化、页表的构建过程，以及如何建立最初的虚拟地址空间。读者将理解，一个现代操作系统是如何从一片混沌中建立起秩序的。重点剖析Bootloader（如GRUB）与内核之间的握手协议，以及内核如何接管控制权。 第二章：内存的魔术：虚拟内存、伙伴系统与slab分配器 内存是操作系统的核心资源。本章将深入探讨Linux如何实现其高效的虚拟内存管理。我们将详细分析伙伴系统（Buddy System）如何管理物理页框，并解释它如何应对内存碎片问题。随后，我们将聚焦于更细粒度的内核对象分配机制——slab/slob/sjf分配器。通过分析其数据结构和分配/回收算法，读者将能够理解内核数据结构被高效存储的底层原理。我们还将涵盖缺页异常（Page Fault）的处理流程，追踪从硬件中断到内核执行页面填充的完整路径。 第三章：调度器的艺术：从CFS到实时任务管理 进程调度是操作系统“公平性”和“响应性”的平衡点。本章将全面解析目前Linux内核采用的完全公平调度器（CFS）。我们将深入剖析红黑树（Red-Black Tree）在CFS中的应用，理解`vruntime`（虚拟运行时间）的概念如何实现对不同优先级任务的“公平”对待。此外，我们还将对比传统的分时调度算法，并详细阐述实时（Real-Time）调度策略（如FIFO和RR）在内核中的实现细节，以及它们如何确保关键任务的确定性。 第四章：并发控制与同步原语的底层实现 在多核时代，并发控制至关重要。本章将系统性地梳理Linux内核中的同步机制。我们将不再仅仅停留在使用`mutex`或`semaphore`的层面，而是深入研究它们在内核中的具体实现，包括自旋锁（Spinlocks）在不同架构下的差异，以及如何利用内存屏障（Memory Barriers/Fences）来保证指令重排不会破坏程序的正确性。本章还将探讨RCU（Read-Copy-Update）机制的原理，解释它如何在不阻塞读者的情况下实现高效的内核数据结构更新。 第五章：进程间通信（IPC）的进化史与现代实践 进程间通信是构建复杂分布式系统的基础。本章不仅复习了传统的System V IPC（如System V 消息队列、共享内存），更将重点放在现代Linux中更为高效和灵活的机制上：POSIX消息队列、命名管道（FIFO）以及System V 信号量。我们将通过实际的系统调用跟踪，揭示这些机制在内核中是如何通过VFS（虚拟文件系统）层或特定内核数据结构来实现数据传输和同步的。 第二部分：系统调用接口与用户空间交互 本部分将视角从内核内部转向用户空间，聚焦于用户程序如何通过系统调用与内核进行交互，这是进行系统编程的核心桥梁。 第六章：系统调用的生命周期与陷阱机制 本章将详细分解一次系统调用的完整生命周期。从用户空间的库函数（如glibc）封装，到软件中断或底层硬件陷阱（Trap）的触发，内核如何捕获这个异常，解析系统调用号，安全地验证用户提供的参数，执行内核代码，最后如何恢复用户态执行。我们将特别关注x86-64架构下的`syscall`/`sysenter`指令与传统中断机制的区别，以及安全沙箱技术（如seccomp）如何利用系统调用拦截机制来增强系统安全性。 第七章：文件系统的奥秘：VFS、Ext4与文件操作的底层逻辑 文件系统是用户感知最直接的内核服务之一。本章将首先介绍虚拟文件系统（VFS）层，分析其如何通过超级块、Inode、Dentry等核心数据结构实现对不同物理文件系统的统一抽象。随后，我们将深入分析流行的Ext4文件系统的关键结构，如Inodes的布局、日志机制（Journaling）的作用以及如何实现原子性操作。通过跟踪`open`、`read`、`write`等系统调用的内核路径，读者将掌握文件I/O的真正含义。 第八章：网络协议栈的深度剖析：从Socket到TCP/IP 本部分将系统地解构Linux的网络协议栈。我们将从Socket API入手，讲解内核如何使用套接字缓冲区（sk_buff结构体）来封装和管理网络数据包。重点剖析TCP/IP协议栈的每一层，包括ARP解析、IP分片与重组、以及TCP的复杂状态机（如慢启动、拥塞控制、快速重传与恢复）。我们将通过分析内核中的相关结构体和定时器驱动，展示Linux如何实现高性能的网络I/O。 第九章：网络编程的高级范式：零拷贝与异步I/O 为了突破传统阻塞I/O的性能瓶颈，本章将介绍现代网络编程的优化技术。我们将详细解释零拷贝（Zero-Copy）技术，如`sendfile()`的实现原理，分析它如何通过DMA（直接内存访问）避免数据在内核空间和用户空间之间的不必要拷贝。此外，我们将全面剖析Linux的异步I/O框架——AIO和现代的`io_uring`。重点剖析`io_uring`如何利用共享环形缓冲区实现极低延迟和高吞吐量的异步事件驱动模型。 第三部分：系统编程实践与调试技巧 实践是检验理论的唯一标准。本部分将提供实用的工具和方法论，帮助读者在实际工程中应用所学知识。 第十章：系统调试与追踪技术：DTrace/BCC/eBPF 掌握内核的运行状态是高级系统编程的必备技能。本章将系统介绍动态跟踪技术，特别是eBPF（扩展的伯克利数据包过滤器）框架。我们将不再依赖传统的`printk`或GDB附加到内核的粗暴方式，而是通过编写eBPF程序，以极低的性能开销，安全地钩挂到内核的任何函数入口或退出点。读者将学习如何使用BCC工具集来动态分析系统调用延迟、内存分配热点和进程调度行为。 第十一章：库的艺术：动态链接与加载机制 理解动态链接器（ld.so）的工作原理对于编写健壮的共享库和应用程序至关重要。本章将深入解析ELF文件格式，重点关注GOT（Global Offset Table）和PLT（Procedure Linkage Table）的工作流程。我们将追踪程序启动时，动态链接器如何解析依赖、加载共享对象到内存、以及如何进行地址重定位。读者将学会如何利用环境变量（如`LD_PRELOAD`）进行运行时行为劫持，这在性能分析和安全审计中非常有用。 第十二章：构建高性能的守护进程与资源限制 系统级应用通常以守护进程（Daemon）的形式存在。本章将指导读者如何编写符合Linux标准的守护进程，包括如何进行Fork、会话管理、信号处理和PID文件的创建。同时，我们将结合Cgroups（控制组）和Namespace技术，解释Linux如何实现资源隔离。读者将学习如何使用`setrlimit`等系统调用，精确控制进程可以使用的CPU时间、内存和文件描述符资源，为构建容器化应用打下坚实基础。 附录：Linux内核版本间的关键差异对比与源码阅读指南 本附录提供了一份阅读Linux内核源码的实用指南，包括如何使用Kconfig进行配置，以及针对不同主要内核版本（如5.x到6.x）在内存管理和调度器方面的关键API变动汇总。 本书的编写风格严谨而不失生动，代码示例均经过在最新稳定版Linux发行版上验证。它不仅是一本关于Linux的参考书，更是一本引导读者真正“触摸”到操作系统心脏的实践指南。

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