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第一章 走进Linux ...................................................................... 1 1.1 GNU 与Linux 的成长............................................................ 1 1.2 Linux 的开发模式和运作机制.................................................. 2 1.3 走进Linux 内核................................................................ 4 1.3.1 Linux 内核的特征....................................................... 4 1.3.2 Linux 内核版本的变化.................................................. 5 1.4 分析Linux 内核的意义......................................................... 7 1.4.1 开发适合自己的操作系统................................................ 8 1.4.2 开发高水平软件......................................................... 9 1.4.3 有助于计算机科学的教学和科研......................................... 9 1.5 Linux 内核结构................................................................ 9 1.5.1 Linux 内核在整个操作系统中的位置................................... 10 1.5.2 Linux 内核的作用...................................................... 11 1.5.3 Linux 内核的抽象结构................................................. 11 1.6 Linux 内核源代码............................................................. 12 1.6.1 多版本的内核源代码................................................... 13 1.6.2 Linux 内核源代码的结构............................................... 13 1.6.3 从何处开始阅读源代码................................................. 14 1.7 Linux 内核源代码分析工具.................................................... 16 1.7.1 Linux 超文本交叉代码检索工具........................................ 16 1.7.2 Windows 平台下的源代码阅读工具（Source Insight） ................. 17 第二章 Linux 运行的硬件基础.......................................................... 19 2.1 i386 的寄存器................................................................. 19 2.1.1 通用寄存器............................................................. 19 2.1.2 段寄存器............................................................... 20 2.1.3 状态和控制寄存器...................................................... 20 2.1.4 系统地址寄存器........................................................ 23 2.1.5 调试寄存器和测试寄存器............................................... 24 2.2 内存地址...................................................................... 25 2.3 段机制和描述符............................................................... 26 2.3.1 段机制................................................................. 26 深入分析Linux 内核源代码 – 2 – 2.3.2 描述符的概念.......................................................... 27 2.3.3 系统段描述符.......................................................... 29 2.3.4 描述符表............................................................... 30 2.3.5 选择符与描述符表寄存器............................................... 30 2.3.6 描述符投影寄存器...................................................... 32 2.3.7 Linux 中的段........................................................... 32 2.4 分页机制...................................................................... 34 2.4.1 分页机构............................................................... 36 2.4.2 页面高速缓存.......................................................... 39 2.5 Linux 中的分页机制........................................................... 40 2.5.1 与页相关的数据结构及宏的定义........................................ 41 2.5.2 对页目录及页表的处理................................................. 42 2.6 Linux 中的汇编语言........................................................... 44 2.6.1 AT&T 与Intel 汇编语言的比较......................................... 44 2.6.2 AT&T 汇编语言的相关知识.............................................. 46 2.6.3 gcc 嵌入式汇编........................................................ 49 2.6.4 Intel386 汇编指令摘要................................................ 52 第三章 中断机制....................................................................... 55 3.1 中断基本知识................................................................. 55 3.1.1 中断向量............................................................... 55 3.1.2 外设可屏蔽中断........................................................ 56 3.1.3 异常及非屏蔽中断...................................................... 57 3.1.4 中断描述符表.......................................................... 59 3.1.5 相关汇编指令.......................................................... 60 3.2 中断描述符表的初始化........................................................ 61 3.2.1 外部中断向量的设置................................................... 61 3.2.2 中断描述符表IDT 的预初始化.......................................... 63 3.2.3 中断向量表的最终初始化............................................... 65 3.3 异常处理...................................................................... 68 3.3.1 在内核栈中保存寄存器的值............................................ 68 3.3.2 中断请求队列的初始化................................................. 70 3.3.3 中断请求队列的数据结构............................................... 70 3.4 中断处理...................................................................... 77 3.4.1 中断和异常处理的硬件处理。.......................................... 77 3.4.2 Linux 对中断的处理.................................................... 78 3.4.3 与堆栈有关的常量、数据结构及宏..................................... 79 3.4.4 中断处理程序的执行................................................... 81 3.4.5 从中断返回............................................................. 85 目录 – 3 – 3.5 中断的后半部分处理机制...................................................... 86 3.5.1 为什么把中断分为两部分来处理........................................ 86 3.5.2 实现机制............................................................... 87 3.5.3 数据结构的定义........................................................ 89 3.5.4 软中断、bh 及tasklet 的初始化....................................... 91 3.5.5 后半部分的执行........................................................ 92 3.5.6 把bh 移植到tasklet................................................... 96 第四章 进程描述....................................................................... 97 4.1 进程和程序（Process and Program） ......................................... 97 4.2 Linux 中的进程概述........................................................... 99 4.3 task_struct 结构描述........................................................ 100 4.4 task_struct 结构在内存中的存放............................................ 107 4.4.1 进程内核栈............................................................ 107 4.4.2 当前进程（current 宏） .............................................. 108 4.5 进程组织方式................................................................ 109 4.5.1 哈希表................................................................ 109 4.5.2 双向循环链表......................................................... 110 4.5.3 运行队列.............................................................. 111 4.5.4 进程的运行队列链表.................................................. 111 4.5.5 等待队列.............................................................. 112 4.6 内核线程..................................................................... 115 4.7 进程的权能................................................................... 116 4.8 内核同步..................................................................... 117 4.8.1 信号量................................................................ 118 4.8.2 原子操作.............................................................. 118 4.8.3 自旋锁、读写自旋锁和大读者自旋锁.................................. 119 第五章 进程调度与切换............................................................... 123 5.1 Linux 时间系统.............................................................. 123 5.1.1 时钟硬件.............................................................. 123 5.1.2 时钟运作机制......................................................... 124 5.1.3 Linux 时间基准....................................................... 125 5.1.4 Linux 的时间系统..................................................... 126 5.2 时钟中断..................................................................... 126 5.2.1 时钟中断的产生....................................................... 126 5.2.2 Linux 实现时钟中断的全过程......................................... 127 5.3 Linux 的调度程序—Schedule（ ） ........................................ 131 5.3.1 基本原理.............................................................. 132 深入分析Linux 内核源代码 – 4 – 5.3.2 Linux 进程调度时机................................................... 133 5.3.3 进程调度的依据....................................................... 135 5.3.4 进程可运行程度的衡量................................................ 136 5.3.5 进程调度的实现....................................................... 137 5.4 进程切换..................................................................... 139 5.4.1 硬件支持.............................................................. 139 5.4.2 进程切换.............................................................. 142 第六章 Linux 内存管理................................................................ 147 6.1 Linux 的内存管理概述....................................................... 147 6.1.1 Linux 虚拟内存的实现结构............................................ 148 6.1.2 内核空间和用户空间.................................................. 149 6.1.3 虚拟内存实现机制间的关系........................................... 151 6.2 Linux 内存管理的初始化..................................................... 152 6.2.1 启用分页机制......................................................... 152 6.2.2 物理内存的探测....................................................... 157 6.2.3 物理内存的描述....................................................... 163 6.2.4 页面管理机制的初步建立.............................................. 166 6.2.5 页表的建立............................................................ 173 6.2.6 内存管理区............................................................ 177 6.3 内存的分配和回收............................................................ 185 6.3.1 伙伴算法.............................................................. 186 6.3.2 物理页面的分配和释放................................................ 187 6.3.3 Slab 分配机制......................................................... 194 6.3.4 内核空间非连续内存区的管理......................................... 201 6.4 地址映射机制................................................................ 204 6.4.1 描述虚拟空间的数据结构.............................................. 205 6.4.2 进程的虚拟空间....................................................... 209 6.4.3 内存映射.............................................................. 212 6.5 请页机制..................................................................... 218 6.5.1 页故障的产生......................................................... 218 6.5.2 页错误的定位......................................................... 219 6.5.3 进程地址空间中的缺页异常处理....................................... 220 6.5.4 请求调页.............................................................. 221 6.5.5 写时复制.............................................................. 223 6.5.6 对本节的几点说明..................................................... 225 6.6 交换机制..................................................................... 225 6.6.1 交换的基本原理....................................................... 225 6.6.2 页面交换守护进程kswapd ............................................. 229 目录 – 5 – 6.6.3 交换空间的数据结构.................................................. 233 6.6.4 交换空间的应用....................................................... 234 6.7 缓存和刷新机制.............................................................. 236 6.7.1 Linux 使用的缓存..................................................... 236 6.7.2 缓冲区高速缓存....................................................... 237 6.7.3 翻译后援存储器(TLB) ................................................. 240 6.7.4 刷新机制.............................................................. 242 6.8 进程的创建和执行............................................................ 245 6.8.1 进程的创建............................................................ 245 6.8.2 程序执行.............................................................. 252 6.8.3 执行函数.............................................................. 255 第七章 进程间通信.................................................................... 263 7.1 管道.......................................................................... 263 7.1.1 Linux 管道的实现机制................................................ 264 7.1.2 管道的应用............................................................ 265 7.1.3 命名管道CFIFOC ...................................................... 267 7.2 信号（signal） .............................................................. 267 7.2.1 信号种类.............................................................. 268 7.2.2 信号掩码.............................................................. 270 7.2.3 系统调用.............................................................. 271 7.2.4 典型系统调用的实现.................................................. 272 7.2.5 进程与信号的关系..................................................... 274 7.2.6 信号举例.............................................................. 275 7.3 System V 的IPC 机制........................................................ 276 7.3.1 信号量................................................................ 276 7.3.2 消息队列.............................................................. 282 7.3.3 共享内存.............................................................. 285 第八章 虚拟文件系统................................................................. 289 8.1 概述.......................................................................... 289 8.2 VFS 中的数据结构............................................................ 292 8.2.1 超级块................................................................ 292 8.2.2 VFS 的索引节点....................................................... 295 8.2.3 目录项对象............................................................ 297 8.2.4 与进程相关的文件结构................................................ 298 8.2.5 主要数据结构间的关系................................................ 302 8.2.6 有关操作的数据结构.................................................. 302 8.3 高速缓存..................................................................... 308 深入分析Linux 内核源代码 – 6 – 8.3.1 块高速缓存............................................................ 308 8.3.2 索引节点高速缓存..................................................... 312 8.3.3 目录高速缓存......................................................... 315 8.4 文件系统的注册、安装与卸载................................................ 316 8.4.1 文件系统的注册....................................................... 316 8.4.2 文件系统的安装....................................................... 319 8.4.3 文件系统的卸载....................................................... 326 8.5 限额机制..................................................................... 326 8.6 具体文件系统举例............................................................ 328 8.6.1 管道文件系统pipefs.................................................. 329 8.6.2 磁盘文件系统BFS ..................................................... 332 8.7 文件系统的系统调用......................................................... 333 8.7.1 open 系统调用........................................................ 333 8.7.2 read 系统调用......................................................... 335 8.7.3 fcntl 系统调用....................................................... 336 8.8 Linux 2.4 文件系统的移植问题.............................................. 337 第九章 Ext2 文件系统................................................................. 343 9.1 基本概念..................................................................... 343 9.2 Ext2 的磁盘布局和数据结构.................................................. 345 9.2.1 Ext2 的磁盘布局...................................................... 345 9.2.2 Ext2 的超级块......................................................... 346 9.2.3 Ext2 的索引节点...................................................... 349 9.2.4 组描述符.............................................................. 352 9.2.5 位图................................................................... 353 9.2.6 索引节点表及实例分析................................................ 353 9.2.7 Ext2 的目录项及文件的定位........................................... 358 9.3 文件的访问权限和安全....................................................... 361 9.4 链接文件..................................................................... 363 9.5 分配策略..................................................................... 366 9.5.1 数据块寻址............................................................ 367 9.5.2 文件的洞.............................................................. 368 9.5.3 分配一个数据块....................................................... 369 第十章 模块机制...................................................................... 373 10.1 概述........................................................................ 373 10.1.1 什么是模块.......................................................... 373 10.1.2 为什么要使用模块? .................................................. 374 10.1.3 Linux 内核模块的优缺点............................................ 374 目录 – 7 – 10.2 实现机制.................................................................... 375 10.2.1 数据结构............................................................. 375 10.2.2 实现机制的分析...................................................... 379 10.3 模块的装入和卸载.......................................................... 385 10.3.1 实现机制............................................................. 385 10.3.2 如何插入和卸载模块................................................. 386 10.4 内核版本.................................................................... 387 10.4.1 内核版本与模块版本的兼容性........................................ 387 10.4.2 从版本2.0 到2.2 内核API 的变化................................... 388 10.4.3 把内核2.2 移植到内核2.4........................................... 392 10.5 编写内核模块............................................................... 400 10.5.1 简单内核模块的编写................................................. 401 10.5.2 内核模块的Makefiles 文件.......................................... 401 10.5.3 内核模块的多个文件................................................. 402 第十一章 设备驱动程序............................................................... 405 11.1 概述........................................................................ 405 11.1.1 I/O 软件............................................................. 405 11.1.2 设备驱动程序........................................................ 407 11.2 设备驱动基础............................................................... 409 11.2.1 I/O 端口............................................................. 409 11.2.2 I/O 接口及设备控制器............................................... 410 11.2.3 设备文件............................................................. 411 11.2.4 VFS 对设备文件的处理............................................... 413 11.2.5 中断处理............................................................. 413 11.2.6 驱动DMA 工作........................................................ 416 11.2.7 I/O 空间的映射...................................................... 417 11.2.8 设备驱动程序框架................................................... 419 11.3 块设备驱动程序............................................................. 420 11.3.1 块设备驱动程序的注册............................................... 420 11.3.2 块设备基于缓冲区的数据交换........................................ 422 11.3.3 块设备驱动程序的几个函数.......................................... 428 11.3.4 RAM 盘驱动程序的实现............................................... 432 11.3.5 硬盘驱动程序的实现................................................. 433 11.4 字符设备驱动程序.......................................................... 437 11.4.1 简单字符设备驱动程序............................................... 437 11.4.2 字符设备驱动程序的注册............................................ 438 11.4.3 一个字符设备驱动程序的实例........................................ 440 11.4.4 驱动程序的编译与装载............................................... 445 深入分析Linux 内核源代码 – 8 – 第十二章 网络........................................................................ 447 12.1 概述........................................................................ 447 12.2 网络协议.................................................................... 448 12.2.1 网络参考模型........................................................ 448 12.2.2 TCP/IP 工作原理及数据流............................................ 449 12.2.3 Internet 协议....................................................... 449 12.2.4 TCP................................................................... 450 12.3 套接字（socket） .......................................................... 452 12.3.1 套接字在网络中的地位和作用........................................ 452 12.3.2 套接字接口的种类................................................... 453 12.3.3 套接字的工作原理................................................... 454 12.3.4 socket 的通信过程.................................................. 456 12.3.5 socket 为用户提供的系统调用....................................... 460 12.4 套接字缓冲区（sk_buff） .................................................. 461 12.4.1 套接字缓冲区的特点................................................. 461 12.4.2 套接字缓冲区操作基本原理.......................................... 461 12.4.3 sk_buff 数据结构的核心内容........................................ 463 12.4.4 套接字缓冲区提供的函数............................................ 465 12.4.5 套接字缓冲区的上层支持例程........................................ 467 12.5 网络设备接口............................................................... 468 12.5.1 基本结构............................................................. 468 12.5.2 命名规则............................................................. 469 12.5.3 设备注册............................................................. 469 12.5.4 网络设备数据结构................................................... 470 12.5.5 支持函数............................................................. 473 第十三章 Linux 启动系统............................................................. 477 13.1 初始化流程................................................................. 477 13.1.1 系统加电或复位...................................................... 478 13.1.2 BIOS 启动............................................................ 478 13.1.3 Boot Loader ......................................................... 479 13.1.4 操作系统的初始化................................................... 479 13.2 初始化的任务............................................................... 479 13.2.1 处理器对初始化的影响............................................... 479 13.2.2 其他硬件设备对处理器的影响........................................ 480 13.3 Linux 的Boot Loader ....................................................... 480 13.3.1 软盘的结构.......................................................... 480 13.3.2 硬盘的结构.......................................................... 481 13.3.3 Boot Loader ......................................................... 481 目录 – 9 – 13.3.4 LILO ................................................................. 482 13.3.5 LILO 的运行分析..................................................... 485 13.4 进入操作系统............................................................... 487 13.4.1 Setup.S .............................................................. 487 13.4.2 Head.S ............................................................... 488 13.5 main.c 中的初始化.......................................................... 491 13.6 建立init 进程.............................................................. 495 13.6.1 init 进程的建立..................................................... 495 13.6.2 启动所需的Shell 脚本文件.......................................... 497 附录A Linux 内核API ................................................................. 501 附录B 在线文档....................................................................... 529 参考文献............................................................................... 531

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