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出版者:清华大学

作者:李进

出品人:

页数:647

译者:

出版时间:2001-6

价格:58.00元

装帧:

isbn号码:9787302044765

丛书系列:

图书标签:

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《Linux系统内核深度剖析与驱动程序开发实践》 第一部分：Linux内核架构与核心机制 本书全面深入地剖析了现代Linux操作系统的内核结构、设计哲学及其核心工作机制。我们首先从系统引导过程（Boot Process）入手，详细阐述了从BIOS/UEFI到Linux内核加载和初始化的完整流程，包括引导加载程序（如GRUB）的作用、内核映像的解压与初始化，以及`init`进程的启动。 随后，本书将重点聚焦于进程管理与调度。我们将深入讲解进程的创建、销毁（`fork()`, `execve()`, `exit()`的底层实现），进程描述符（`task_struct`）的内部结构，以及Linux内核中多种调度算法的演进与选择。重点剖析了完全公平调度器（CFS）的红黑树机制、时间片分配策略，以及实时调度策略（SCHED_FIFO, SCHED_RR）的实现细节。内存管理部分将详尽介绍虚拟内存子系统，包括页表结构、地址翻译过程（TLB缓存的作用）、内存分配器（如Slab、SLUB、NUMA感知分配）的设计思想，以及内存回收机制（如页面置换算法、LRU列表管理）的具体工作原理。我们还将探讨中断处理与异常机制，从硬件中断的产生到内核中断描述符表的建立，以及软中断和Tasklet在提升系统响应速度中的作用。 第二部分：文件系统、VFS与存储管理 本书对Linux的虚拟文件系统（VFS）层进行了细致的梳理，解释了VFS如何通过统一的接口抽象来支持Ext4、XFS、Btrfs等多种具体文件系统的兼容性。我们将深入研究VFS中的关键数据结构（如`superblock`, `inode`, `dentry`, `file`结构体）及其相互关系，以及系统调用（如`open`, `read`, `write`, `mmap`）在VFS层和具体文件系统层之间的传递与执行流程。 在块设备管理方面，本书详细介绍了I/O调度器的演变历史，从传统的Deadline、CFQ到现代的None和BFQ/mq-deadline，解释了它们如何优化磁盘访问性能。我们将剖析块设备驱动程序的基本框架，并探讨缓存机制，包括页缓存（Page Cache）和缓冲区缓存（Buffer Cache）在加速文件I/O中的作用。 第三部分：并发控制、同步原语与内核安全 在多核和多处理器系统中，并发控制是保证内核数据一致性的关键。本书系统介绍了Linux内核中使用的主要同步机制：自旋锁（Spinlocks）、互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）以及RCU（Read-Copy-Update）。对于RCU，我们将详细解析其“读者友好、写者代价稍高”的设计哲学，并结合实际内核代码展示其在读多写少场景下的性能优势。 此外，本书还深入探讨了内存屏障（Memory Barriers）和顺序一致性模型在构建正确并发代码中的必要性。内核健壮性与安全部分涵盖了内核模块的加载与卸载机制、模块签名验证，以及安全增强Linux（SELinux）和命名空间（Namespaces）/控制组（cgroups）等容器化技术背后的内核支撑原理。 第四部分：设备驱动程序开发实践（字符、块与网络） 本部分是本书的实践核心，旨在指导读者掌握编写健壮、高效Linux设备驱动程序的技能。 1. 字符设备驱动开发： 详细讲解了如何注册、初始化字符设备，实现`file_operations`结构体中的核心操作函数。重点演示了异步通知（`poll`/`epoll`）、中断共享以及并发访问保护的编写技巧。 2. 同步与异步I/O： 深入讲解了DMA（直接内存访问）的原理，以及如何使用`dma_alloc_coherent`和`dma_map_sg`等API安全地在设备和内核内存之间传输数据，这对于高性能硬件驱动至关重要。 3. 块设备驱动模型： 剖析了现代块设备驱动的请求队列（Request Queue）模型，并指导读者如何基于请求（`struct request`）实现定制化的I/O处理逻辑。 4. 网络子系统驱动： 概述了Linux网络协议栈的结构，重点讲解了NAPI（New API）框架在驱动层面的应用，以有效处理高吞吐量网络数据包，避免CPU在轮询中过度消耗。 第五部分：内核调试、跟踪与性能分析 高效的内核开发离不开强大的调试工具。本书详细介绍了KDB/KGDB的远程调试技术，指导读者如何设置断点、单步执行和检查内核数据结构。 我们重点介绍了Ftrace和BPF/eBPF作为现代内核跟踪框架的强大能力。通过具体实例，读者将学会如何利用这些工具来测量系统调用延迟、跟踪调度器事件、分析锁竞争情况，并最终定位性能瓶颈。对于复杂问题的诊断，本书还探讨了Oops/Panic信息的解读和栈回溯分析的技巧。 目标读者： 本书面向具备C语言基础、熟悉操作系统基本原理（如进程、内存、文件系统概念）的系统程序员、嵌入式开发工程师、内核开发者，以及希望深入理解Linux底层运行机制的高级系统管理员。阅读本书需要一定的汇编语言基础和对硬件体系结构的基本了解。

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