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出版者:机械工业出版社

作者:王海中 著

出品人:

页数:420

译者:

出版时间:2001-5

价格:42.00元

装帧:

isbn号码:9787111088639

丛书系列:

图书标签:

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好的，这是一本名为《深入理解Linux内核：系统调用、进程管理与内存虚拟化》的图书简介。 --- 深入理解Linux内核：系统调用、进程管理与内存虚拟化 导言：穿越迷雾，直击核心 在当今的计算环境中，Linux操作系统无疑占据着举足轻重的地位，无论是企业级服务器、云计算基础设施，还是嵌入式设备，其身影无处不在。然而，对于大多数应用开发者而言，Linux内核仍然是一个深不可测的“黑箱”。我们熟知如何使用Shell命令、编写应用程序，却鲜少触及其底层运作的精妙机制。 本书《深入理解Linux内核：系统调用、进程管理与内存虚拟化》正是为了填补这一鸿沟而作。它不是一本关于如何“使用”Linux的教程，而是一部深入剖析Linux内核工作原理的深度指南。我们的目标是带领读者，以一种工程师的视角，穿透抽象层的迷雾，直观地理解操作系统是如何管理资源、调度任务和保障数据隔离的。 全书内容高度聚焦于Linux内核中最为核心且基础的三个领域：系统调用接口、进程与线程管理，以及虚拟内存机制。我们摈弃了冗长晦涩的理论堆砌，转而采用大量贴合实际的代码剖析、结构体解析和流程图示，确保读者能够清晰地跟踪数据流向，掌握内核与用户空间交互的每一个细节。 第一篇章：系统调用的艺术——用户空间与内核空间的桥梁 系统调用是用户空间程序请求内核服务（如文件I/O、网络通信、进程创建）的唯一合法途径。本篇将对这一关键接口进行彻底的解构。 1.1 系统调用的握手协议 我们将从最基础的`syscall`指令入手，详细阐述在x86-64架构下，系统调用是如何通过寄存器传递参数、触发陷阱（Trap）或中断（Interrupt）的过程。读者将清晰地看到，当一个用户程序执行`read()`函数时，控制权是如何安全、高效地转移到内核空间的。 1.2 陷阱处理与上下文保存 内核如何确保在处理完系统调用后，能精确地恢复用户进程的执行状态？我们深入研究中断描述符表（IDT）的配置、中断处理程序的入口机制，以及上下文（Context）的保存与恢复。这将揭示多任务操作系统的并发性保障基础。 1.3 系统调用表的探秘与实现 本书将剖析Linux内核中的系统调用表（`sys_call_table`）的结构，并对比不同架构（如ARM64）下的实现差异。重点讲解如何追踪一个特定的系统调用号（如`__NR_openat`）如何映射到对应的内核函数（如`sys_openat`）。 1.4 错误处理与信号机制的交织 系统调用返回的返回值并非总是数据本身，错误码（如`-EPERM`）的传递机制是健壮性编程的关键。我们还将探讨信号（Signals）如何在系统调用被阻塞或等待时，中断该调用并通知用户进程，展示内核处理异步事件的能力。 第二篇章：进程的生命周期——调度与同步的交响乐 进程是Linux内核资源管理的基本单位。本篇将全面解析进程的创建、状态转换、调度策略以及同步机制。 2.1 进程的诞生与消亡：fork()与exec()的秘密 我们不仅仅停留在理解`fork()`复制当前进程的概念层面。本书将深入剖析`fork()`和`vfork()`在内核中的具体实现，特别是写时复制（Copy-on-Write, CoW）技术如何实现高效的资源复用。紧接着，我们将详细跟踪`execve()`如何销毁旧的进程上下文并加载新的程序映像，包括ELF文件格式的解析和用户栈的构建。 2.2 task_struct：进程的数字画像 `task_struct`结构体是Linux内核对进程描述的核心。本书会逐一解析其关键字段，包括进程状态（Running, Sleeping, Stopped）、PID的管理、进程组信息，以及指向内存描述符（mm_struct）的指针。读者将学会如何通过内核调试工具（如KGDB）来实时查看这些结构体的状态。 2.3 调度器的核心：CFS的精妙设计 现代Linux内核主要采用完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS）。我们将详细解读CFS的工作原理，包括`vruntime`（虚拟运行时）的概念、红黑树（Red-Black Tree）如何维护可运行进程队列，以及“公平性”是如何通过时间片计算和调度延迟来实现的。我们还将讨论实时调度策略（如FIFO和RR）与CFS的交互。 2.4 锁、信号量与并发控制 多核处理器时代的并发访问是内核设计的一大挑战。本篇将系统介绍内核中的同步原语：自旋锁（Spinlocks）、互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）以及用于避免死锁的屏障（Barriers）。重点分析在中断上下文和进程上下文中，选择不同同步机制的原因和最佳实践。 第三篇章：虚拟内存管理——隔离、抽象与高效利用 内存是操作系统最宝贵的资源。Linux内核通过复杂的虚拟内存系统实现了进程间的隔离、对物理内存的高效抽象和管理。 3.1 地址转换的旅程：从虚拟到物理 我们将彻底阐述x86-64架构下的分页机制（四级页表）。通过跟踪一个虚拟地址如何经过TLB查找和页表遍历，最终解析出物理地址的过程，清晰展示页目录、页上级目录、页中间目录和页表的具体作用。 3.2 内存描述符与地址空间 每个进程都有其独立的虚拟地址空间，由`mm_struct`来描述。本书将解析`mm_struct`中的关键数据结构，如VMA（虚拟内存区域）链表，并解释如何通过`mmap()`系统调用动态地管理堆、栈和代码段的映射。 3.3 缺页异常的处理流程 当程序访问一个尚未映射或不在物理内存中的虚拟地址时，会触发缺页异常（Page Fault）。我们将详细跟踪内核如何捕获这一异常，判断是合法访问（需要从磁盘加载）还是非法访问（触发Segmentation Fault），并展示内核如何执行页面置换（Page Replacement）算法，将“脏页”写回磁盘。 3.4 缓存与页面回收策略 内核如何管理物理页框（Page Frame）？本书将介绍伙伴系统（Buddy System）用于大块内存的分配与释放，以及slab分配器用于小对象的高效缓存。此外，我们还会探讨内核如何通过LRU链表等机制，决定哪些“干净页”或“脏页”应该被回收或换出，以保持系统性能的稳定。 结语 《深入理解Linux内核：系统调用、进程管理与内存虚拟化》旨在为系统程序员、内核开发者和高级系统管理员提供一座坚实的知识桥梁。掌握这些底层机制，不仅能帮助您编写出更稳定、更高效的应用软件，更能让您在面对复杂系统问题时，拥有“洞察”而非“猜测”的能力。通过本书的研读，您将真正理解Linux操作系统的心跳与脉搏。

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