奔跑吧Linux内核 入门篇(第2版)

1.涵盖上百个经典实验 2.提供配套学习资源 3.讲述如何在树莓派上实现一个小的操作系统 4.展示业内一线经验 5.通过实验帮助开发人员零基础开启Linux系统之旅，提高动手能力，增加项目实践经验 分析与运行Linux内核是培养读者系统软件设计能力的有效方法。然而，Linux内核的机制复杂、算法精妙、代码量庞大，因此初学者难以快速入门，并深入理解和灵活应用。本书结合作者多年的项目实践经验，剖析了源代码，是Linux内核方面的一本经典入门图书。 ——吴国伟， 大连理工大学 本书第1版得到了读者的一致好评。本书第2版新增了很多内容，尤其是操作系统方面的热门内容——文件系统和虚拟化。我印象最深刻的是利用树莓派实现一个小的操作系统。通过这样的综合实验，读者会对Linux内核有更深的理解。理论加动手实践是学习Linux内核的最佳途径之一。 ——陈莉君，西安邮电大学 本书图文并茂，结合实验，把作者一手的知识与经验毫无保留地呈现给了读者，有助于初学者少走弯路。本书有助于读者逐步成为Linux内核领域的高级开发人员。 ——夏耐，南京大学

本书基于Linux 5.0和ARM64处理器循序渐进地讲述Linux内核的理论与实验。本书共16章，主要介绍Linux系统基础知识、Linux内核基础知识、ARM64架构基础知识、内核编译和调试、内核模块、简单的字符设备驱动、系统调用、进程管理、内存管理、同步管理、中断管理、调试和性能优化、开源社区、文件系统、虚拟化与云计算等方面的内容，并通过一个综合能力训练来引导读者动手实现一个小的操作系统。本书适合Linux开发人员、嵌入式开发人员以及对Linux感兴趣的程序员阅读，也适合作为高等院校计算机相关专业的教材。

笨叔，Linux内核爱好者，出版过《奔跑吧Linux内核》《奔跑吧Linux内核 入门篇》。 陈悦，Linux内核爱好者，南昌大学教师，主要负责计算机方面的“操作系统”“汇编语言”与“计算机组成原理”等课程的教学与研究。

第1章 Linux系统基础知识 1
1.1 Linux系统的发展历史 1
1.2 Linux发行版 2
1.2.1 Red Hat Linux 2
1.2.2 Debian Linux 3
1.2.3 SuSE Linux 4
1.2.4 优麒麟Linux 4
1.3 Linux内核介绍 5
1.3.1 Linux内核目录结构 5
1.3.2 宏内核和微内核 7
1.3.3 Linux内核概貌 8
1.4 如何学习Linux内核 11
1.5 Linux内核实验入门 12
1.5.1 实验1-1：在虚拟机中安装优麒麟Linux 20.04系统 12
1.5.2 实验1-2：给优麒麟Linux系统更换“心脏” 15
1.5.3 实验1-3：使用QEMU虚拟机来运行Linux系统 17
1.5.4 实验1-4：创建基于UbuntuLinux的根文件系统 22
1.5.5 实验1-5：创建基于QEMU+RISC-V的Linux系统 22
第2章 Linux内核基础知识 24
2.1 Linux常用的编译工具 24
2.1.1 GCC 24
2.1.2 ARM GCC 25
2.1.3 GCC编译 26
2.2 Linux内核中常用的C语言技巧 27
2.3 Linux内核中常用的数据结构和算法 33
2.3.1 链表 33
2.3.2 红黑树 36
2.3.3 无锁环形缓冲区 38
2.4 Vim工具的使用 40
2.4.1 Vim 8介绍 40
2.4.2 Vim的基本模式 41
2.4.3 Vim中3种模式的切换 41
2.4.4 Vim光标的移动 42
2.4.5 删除、复制和粘贴 43
2.4.6 查找和替换 43
2.4.7 与文件相关的命令 44
2.5 git工具的使用 44
2.5.1 安装git 45
2.5.2 git基本操作 45
2.5.3 分支管理 48
2.6 实验 50
2.6.1 实验2-1：GCC编译 50
2.6.2 实验2-2：内核链表 54
2.6.3 实验2-3：红黑树 54
2.6.4 实验2-4：使用Vim工具 54
2.6.5 实验2-5：把Vim打造成一个强大的IDE编辑工具 55
2.6.6 实验2-6：建立一个git本地仓库 63
2.6.7 实验2-7：解决分支合并冲突 65
2.6.8 实验2-8：利用git来管理Linux内核开发 67
2.6.9 实验2-9：利用git来管理项目代码 69
第3章 ARM64架构基础知识 75
3.1 ARM64架构介绍 76
3.1.1 ARMv8-A架构介绍 76
3.1.2 常见的ARMv8处理器 76
3.1.3 ARM64的基本概念 77
3.1.4 ARMv8处理器的运行状态 78
3.1.5 ARMv8架构支持的数据宽度 79
3.1.6 不对齐访问 79
3.2 ARMv8寄存器 79
3.2.1 通用寄存器 79
3.2.2 处理器状态寄存器 80
3.2.3 特殊寄存器 82
3.2.4 系统寄存器 84
3.3 A64指令集 85
3.3.1 算术和移位操作指令 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 条件操作指令 87
3.3.6 内存加载指令 89
3.3.7 多字节内存加载和存储指令 91
3.3.8 非特权访问级别的加载和存储指令 91
3.3.9 内存屏障指令 92
3.3.10 独占访存指令 92
3.3.11 跳转指令 92
3.3.12 异常处理指令 93
3.3.13 系统寄存器访问指令 93
3.4 ARM64异常处理 95
3.4.1 异常类型 95
3.4.2 同步异常和异步异常 96
3.4.3 异常的发生和退出 96
3.4.4 异常向量表 97
3.5 ARM64内存管理 99
3.5.1 页表 100
3.5.2 页表映射 101
3.6 实验平台：树莓派 102
3.6.1 树莓派4介绍 103
3.6.2 实验3-1：在树莓派上安装优麒麟Linux 20.04系统 104
3.6.3 实验3-2：汇编语言练习—查找最大数 105
3.6.4 实验3-3：汇编语言练习—通过C语言调用汇编函数 105
3.6.5 实验3-4：汇编语言练习—通过汇编语言调用C函数 106
3.6.6 实验3-5：汇编语言练习—GCC内联汇编 106
3.6.7 实验3-6：在树莓派上编写一个裸机程序 106
第4章 内核编译和调试 107
4.1 内核配置 107
4.1.1 内核配置工具 107
4.1.2 .config文件 108
4.2 实验4-1：通过QEMU虚拟机调试ARMv8的Linux内核 110
4.3 实验4-2：通过Eclipse + QEMU单步调试内核 111
第5章 内核模块 116
5.1 从一个内核模块开始 116
5.2 模块参数 120
5.3 符号共享 122
5.4 实验 123
5.4.1 实验5-1：编写一个简单的内核模块 123
5.4.2 实验5-2：向内核模块传递参数 124
5.4.3 实验5-3：在模块之间导出符号 124
第6章 简单的字符设备驱动 125
6.1 从一个简单的字符设备开始 126
6.1.1 一个简单的字符设备 126
6.1.2 实验6-1：写一个简单的字符设备驱动 131
6.2 字符设备驱动详解 131
6.2.1 字符设备驱动的抽象 131
6.2.2 设备号的管理 133
6.2.3 设备节点 133
6.2.4 字符设备操作方法集 134
6.3 misc机制 136
6.3.1 misc机制介绍 136
6.3.2 实验6-2：使用misc机制来创建设备驱动 136
6.4 一个简单的虚拟设备 138
6.4.1 实验6-3：为虚拟设备编写驱动 138
6.4.2 实验6-4：使用KFIFO环形缓冲区改进设备驱动 141
6.5 阻塞I/O和非阻塞I/O 143
6.5.1 实验6-5：把虚拟设备驱动改成非阻塞模式 144
6.5.2 实验6-6：把虚拟设备驱动改成阻塞模式 147
6.6 I/O多路复用 151
6.6.1 Linux内核的I/O多路复用 151
6.6.2 实验6-7：向虚拟设备中添加I/O多路复用支持 152
6.6.3 实验6-8：为什么不能唤醒读写进程 157
6.7 添加异步通知 159
6.7.1 异步通知介绍 159
6.7.2 实验6-9：向虚拟设备添加异步通知 159
6.7.3 实验6-10：解决驱动的宕机难题 163
6.8 本章小结 164
第7章 系统调用 166
7.1 系统调用的概念 166
7.1.1 系统调用和POSIX标准 167
7.1.2 系统调用表 167
7.1.3 用程序访问系统调用 169
7.1.4 新增系统调用 170
7.2 实验 170
7.2.1 实验7-1：在树莓派上新增一个系统调用 170
7.2.2 实验7-2：在Linux主机上新增一个系统调用 170
第8章 进程管理 172
8.1 进程 172
8.1.1 进程的由来 172
8.1.2 进程描述符 174
8.1.3 进程的生命周期 176
8.1.4 进程标识 178
8.1.5 进程间的家族关系 179
8.1.6 获取当前进程 181
8.2 进程的创建和终止 183
8.2.1 写时复制技术 185
8.2.2 fork()函数 186
8.2.3 vfork()函数 187
8.2.4 clone()函数 187
8.2.5 内核线程 188
8.2.6 do_fork()函数 189
8.2.7 终止进程 191
8.2.8 僵尸进程和托孤进程 191
8.2.9 进程0和进程1 192
8.3 进程调度 193
8.3.1 进程的分类 193
8.3.2 进程的优先级和权重 193
8.3.3 调度策略 195
8.3.4 时间片 198
8.3.5 经典调度算法 198
8.3.6 Linux O(n)调度算法 200
8.3.7 Linux O(1)调度算法 200
8.3.8 Linux CFS算法 201
8.3.9 进程切换 204
8.3.10 与调度相关的数据结构 210
8.4 多核调度 214
8.4.1 调度域和调度组 215
8.4.2 负载的计算 218
8.4.3 负载均衡算法 221
8.4.4 Per-CPU变量 222
8.5 实验 223
8.5.1 实验8-1：fork和clone系统调用 223
8.5.2 实验8-2：内核线程 224
8.5.3 实验8-3：后台守护进程 224
8.5.4 实验8-4：进程权限 224
8.5.5 实验8-5：设置优先级 224
8.5.6 实验8-6：Per-CPU变量 225
第9章 内存管理 226
9.1 从硬件角度看内存管理 226
9.1.1 内存管理的“远古时代” 226
9.1.2 地址空间的抽象 228
9.1.3 分段机制 229
9.1.4 分页机制 230
9.2 从软件角度看内存管理 234
9.2.1 free命令 234
9.2.2 从应用编程角度看内存管理 235
9.2.3 从内存布局图角度看内存管理 236
9.2.4 从进程角度看内存管理 239
9.2.5 从内核角度看内存管理 243
9.3 物理内存管理 244
9.3.1 物理页面 244
9.3.2 内存管理区 250
9.3.3 分配和释放页面 252
9.3.4 关于内存碎片化 258
9.3.5 分配小块内存 260
9.4 虚拟内存管理 268
9.4.1 进程地址空间 268
9.4.2 内存描述符mm_struct 269
9.4.3 VMA管理 270
9.4.4 VMA属性 273
9.4.5 VMA查找操作 276
9.4.6 malloc()函数 277
9.4.7 mmap()/munmap()函数 280
9.5 缺页异常 284
9.5.1 do_page_fault()函数 285
9.5.2 匿名页面缺页异常 286
9.5.3 文件映射缺页中断 286
9.5.4 写时复制缺页异常 287
9.6 内存短缺 287
9.6.1 页面回收算法 287
9.6.2 OOM Killer机制 289
9.7 内存管理日志信息以及调试信息 289
9.7.1 vm_stat计数 289
9.7.2 meminfo分析 291
9.7.3 伙伴系统信息 293
9.7.4 查看内存管理区的信息 294
9.7.5 查看进程相关的内存信息 296
9.7.6 查看系统内存信息的工具 298
9.8 内存管理实验 300
9.8.1 实验9-1：查看系统内存信息 301
9.8.2 实验9-2：获取系统的物理内存信息 301
9.8.3 实验9-3：分配内存 301
9.8.4 实验9-4：slab 302
9.8.5 实验9-5：VMA 302
9.8.6 实验9-6：mmap 302
9.8.7 实验9-7：映射用户内存 303
9.8.8 实验9-8：OOM 303
第10章 同步管理 304
10.1 原子操作与内存屏障 305
10.1.1 原子操作 305
10.1.2 内存屏障 309
10.2 自旋锁机制 310
10.2.1 自旋锁的定义 310
10.2.2 Qspinlock的实现 311
10.2.3 自旋锁的变种 312
10.2.4 自旋锁和raw_spin_lock 313
10.3 信号量 314
10.4 互斥锁 315
10.5 读写锁 317
10.5.1 读写锁的定义 317
10.5.2 读写信号量 318
10.6 RCU 320
10.7 等待队列 323
10.7.1 等待队列头 323
10.7.2 等待队列节点 324
10.8 实验 324
10.8.1 实验10-1：自旋锁 324
10.8.2 实验10-2：互斥锁 325
10.8.3 实验10-3：RCU锁 325
第11章 中断管理 326
11.1 Linux中断管理机制 326
11.1.1 ARM中断控制器 327
11.1.2 关于ARM Vexpress V2P开发板的例子 327
11.1.3 关于Virt开发板的例子 329
11.1.4 硬件中断号和Linux中断号的映射 330
11.1.5 注册中断 331
11.2 软中断和tasklet 333
11.2.1 软中断 334
11.2.2 tasklet 335
11.2.3 local_bh_disable()/local_bh_enable() 336
11.2.4 小结 337
11.3 工作队列机制 337
11.3.1 工作队列的类型 338
11.3.2 使用工作队列 340
11.3.3 小结 340
11.4 实验 341
11.4.1 实验11-1：tasklet 341
11.4.2 实验11-2：工作队列 341
11.4.3 实验11-3：定时器和内核线程 341
第12章 调试和性能优化 343
12.1 printk()输出函数和动态输出 343
12.1.1 printk()输出函数 343
12.1.2 动态输出 345
12.1.3 实验12-1：使用printk()输出函数 347
12.1.4 实验12-2：使用动态输出 347
12.2 proc和debugfs 347
12.2.1 proc文件系统 347
12.2.2 sys文件系统 350
12.2.3 debugfs文件系统 351
12.2.4 实验12-3：使用procfs 351
12.2.5 实验12-4：使用sysfs 353
12.2.6 实验12-5：使用debugfs 355
12.3 ftrace 355
12.3.1 irqsoff跟踪器 357
12.3.2 function跟踪器 358
12.3.3 动态ftrace 359
12.3.4 事件跟踪 361
12.3.5 实验12-6：使用ftrace 363
12.3.6 实验12-7：添加新的跟踪点 363
12.3.7 实验12-8：使用示踪标志 366
12.3.8 实验12-9：使用kernelshark分析数据 369
12.4 分析Oops错误 371
12.4.1 Oops错误介绍 371
12.4.2 实验12-10 ：分析Oops错误 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采集数据 377
12.5.3 perf stat 378
12.5.4 perf top 379
12.5.5 实验12-11：使用perf工具进行性能分析 380
12.5.6 实验12-12：采集perf数据以生成火焰图 381
12.6 内存检测 381
12.6.1 实验12-13：使用slub_debug检查内存泄漏 382
12.6.2 实验12-14：使用kmemleak检查内存泄漏 387
12.6.3 实验12-15：使用kasan检查内存泄漏 389
12.6.4 实验12-16：使用valgrind检查内存泄漏 393
12.7 使用kdump解决死机问题 394
12.7.1 kdump介绍 394
12.7.2 实验12-17：搭建ARM64的kdump实验环境 395
12.7.3 实验12-18：分析一个简单的宕机案例 398
12.8 性能和测试 401
12.8.1 性能和测试概述 401
12.8.2 eBPF介绍 402
12.8.3 BCC介绍 403
12.8.4 实验12-19：运行BCC工具进行性能测试 404
第13章 开源社区 405
13.1 什么是开源社区 405
13.1.1 开源软件的发展历史 405
13.1.2 Linux基金会 406
13.1.3 开源协议 406
13.1.4 Linux内核社区 408
13.1.5 国内开源社区 409
13.2 参与开源社区 409
13.2.1 参与开源项目的好处 409
13.2.2 如何参与开源项目 410
13.3 实验13-1：使用cppcheck检查代码 411
13.4 实验13-2：提交第一个Linux内核补丁 412
13.5 实验13-3：管理和提交多个补丁组成的补丁集 414
第14章 文件系统 419
14.1 文件系统的基本概念 419
14.1.1 文件 419
14.1.2 目录 422
14.2 文件系统的基本概念和知识 423
14.2.1 文件系统的布局 423
14.2.2 索引数据块 428
14.2.3 管理空闲块 430
14.2.4 高速缓存 430
14.3 虚拟文件系统层 431
14.4 文件系统的一致性 436
14.5 一次写磁盘的全过程 439
14.6 文件系统实验 440
14.6.1 实验14-1：查看文件系统 440
14.6.2 实验14-2：删除文件内容 441
14.6.3 实验14-3：块设备 441
14.6.4 实验14-4：动手写一个简单的文件系统 441
第15章 虚拟化与云计算 442
15.1 虚拟化技术 442
15.1.1 虚拟化技术的发展历史 442
15.1.2 虚拟机管理程序的分类 444
15.1.3 内存虚拟化 445
15.1.4 I/O虚拟化 445
15.2 容器技术 446
15.3 云计算 448
15.3.1 云编排 450
15.3.2 OpenStack介绍 451
15.3.3 Kubernetes介绍 451
15.4 实验 452
15.4.1 实验15-1：制作Docker镜像并发布 452
15.4.2 实验15-2：部署Kubernetes服务 452
第16章 综合能力训练：动手写一个小OS 453
16.1 实验准备 454
16.1.1 开发流程 454
16.1.2 配置串口线 454
16.1.3 寄存器地址 457
16.2 入门动手篇 457
16.2.1 实验16-1：输出“Welcome BenOS!” 457
16.2.2 使用GDB + QEMU调试BenOS 465
16.2.3 使用J-Link仿真器调试树莓派 466
16.2.4 实验16-2：切换异常等级 473
16.2.5 实验16-3：实现简易的printk()函数 473
16.2.6 实验16-4：中断 473
16.2.7 实验16-5：创建进程 475
16.3 进阶挑战篇 475
16.4 高手完善篇 476