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页数:312

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出版时间:2010-5

价格:39.00元

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isbn号码:9787310034055

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《深入理解Linux内核与系统编程》 本书聚焦于操作系统的核心——Linux内核的内部工作机制，并系统性地讲解如何利用这些底层能力进行高效的系统级编程。它旨在为有一定C语言和基础计算机科学知识的开发者、系统工程师和研究人员提供一个全面、深入的蓝图，理解现代操作系统是如何调度、管理资源和响应外部事件的。 --- 第一部分：Linux内核架构与启动过程 本部分将带领读者走过Linux从启动到稳定运行的整个生命周期，揭示其骨架结构。 第一章：内核的基石——体系结构概览 深入剖析Linux的整体架构，包括用户空间与内核空间的严格隔离、单体内核的设计哲学与模块化优势。我们将详述进程地址空间布局，包括内核区、堆、栈、共享库和用户代码段的具体划分，为后续的内存管理和进程调度打下坚实基础。 第二章：引导之舞——从BIOS/UEFI到内核初始化 详细解析系统启动流程。从固件（BIOS/UEFI）如何将控制权交给引导加载程序（Bootloader，如GRUB），再到Bootloader如何将内核映像加载到内存并跳转执行。重点解析内核初始化阶段（`start_kernel()`之前的准备工作）和主初始化函数内部的关键步骤，包括硬件检测、中断描述符表（IDT）的建立，以及第一个用户空间进程`init`的诞生。 第三章：模块化力量——内核模块的生命周期管理 讲解Linux内核模块（LKM）的设计与实现。阐述模块的编译、加载、卸载机制，以及如何使用`module_init`和`module_exit`宏。深入探讨模块间的依赖管理和符号导出机制，以及在内核调试中利用模块进行热更新和实验的优势。 --- 第二部分：进程管理与调度 进程是操作系统最基本的执行单元。本部分将细致描绘Linux如何创建、维护和调度这些执行流。 第四章：进程的生命线——任务结构与创建 剖析Linux中进程的抽象表示——`task_struct`结构体。详尽解析其关键字段，包括进程状态标志、PID、父子关系链表以及内存描述符指针。对比进程（Process）与线程（Thread）在内核中的统一表示方式，并深入讲解`fork()`、`vfork()`和`clone()`系统调用的底层实现细节及其参数对线程创建的影响。 第五章：时间的艺术——进程调度器深度解析 这是本书的核心内容之一。我们不再停留在理论层面，而是直接分析当前主流的调度策略——完全公平调度器（CFS）。详述CFS如何使用红黑树来追踪“虚拟运行时间”（vruntime），如何计算调度实体权重（`nice`值与`load.weight`的转换），以及调度器在不同负载下的动态行为。同时，也会介绍实时调度策略（SCHED_FIFO, SCHED_RR）的运行机制。 第六章：上下文切换的代价与优化 深入分析上下文切换（Context Switch）的物理过程，包括寄存器状态的保存与恢复、页表基址的切换（TLB失效的代价）。讨论如何通过如Thread Local Storage (TLS)的机制来最小化用户态代码中的切换开销。 --- 第三部分：内存管理：虚拟化与物理调配 本部分是理解现代操作系统性能的关键，重点阐述Linux如何高效地管理和抽象物理内存。 第七章：内存的魔术——虚拟内存系统 详细解释为什么需要虚拟内存，以及Linux如何将进程的虚拟地址空间映射到物理页帧上。深入分析多级页表结构（如四级页表），以及如何通过页表项（PTE）和页目录项（PDE）实现地址转换。探讨内存保护和隔离机制的实现原理。 第八章：页面置换与缓存机制 分析内核如何判断何时需要回收页面（内存压力）。详述活跃/非活跃列表（Active/Inactive Lists）的工作机制。重点讲解内核如何管理页缓存（Page Cache），以及`mmap()`调用如何利用页缓存实现文件I/O和内存映射的统一性。 第九章：内核内存分配器 区分内核对大块内存和琐碎内存的需求。深入讲解Slab/SLUB分配器（或SuperCache）如何管理内核数据结构（如inode、dentry）的缓存，以避免频繁的底层内存申请和释放。分析伙伴系统（Buddy System）如何管理物理页帧的分配与合并。 --- 第四章：系统调用接口与I/O子系统 系统调用是用户程序与内核交互的唯一安全通道。本部分将揭示这一接口的实现细节及其在I/O操作中的应用。 第十章：系统调用的实现路径 追踪一个典型的系统调用（如`read()`）从用户态发起，到内核处理，再返回的全过程。分析不同架构（如x86_64）下系统调用的入口点（如`syscall`指令或中断），以及内核如何通过系统调用号查找并执行对应的处理函数。 第十一章：统一I/O模型——从块设备到字符设备 讲解Linux的I/O抽象模型。区分块设备和字符设备，以及它们在`/dev`下的表示。深入分析异步I/O（AIO）和基于事件的I/O模型（如epoll）的底层实现，尤其关注epoll如何通过内核数据结构（如红黑树和事件队列）实现高效的事件通知，避免传统`select`/`poll`的性能瓶颈。 第十二章：文件系统：VFS层与Ext4的结构 剖析虚拟文件系统（VFS）层，理解`superblock`、`inode`、`dentry`、`file`这四个核心结构体如何实现对不同具体文件系统（如Ext4、XFS）的统一操作。以Ext4为例，探讨其日志机制如何保证文件系统的一致性和恢复能力。 --- 第五部分：并发控制、同步原语与调试 系统编程的核心挑战在于处理并发和保持数据一致性。 第十三章：内核中的并发控制 详细介绍Linux内核用于保护共享数据结构的各种同步原语。对比自旋锁（Spinlock）的使用场景与互斥锁（Mutex）的适用条件。深入讲解信号量（Semaphore）和读写信号量（RW Semaphore）的工作原理及其在避免死锁中的作用。 第十四章：中断、软中断与工作队列 解释中断（Interrupts）和软中断（Softirqs）之间的关系，以及内核如何利用软中断和Tasklets来推迟对硬件事件的非关键性处理，从而最小化中断处理的延迟。讲解工作队列（Workqueue）机制，这是内核中实现任务异步执行的常用方式。 第十五章：内核调试与跟踪工具 提供一套实用的内核调试技巧。重点介绍如何使用KDB/KGDB进行远程断点调试，如何利用`printk`的替代方案如`fprintk`和动态调试标记。讲解性能分析工具如`ftrace`和`perf`的工作原理，帮助读者定位性能热点和调度延迟的根源。 --- 适用读者： 希望从应用层深入到系统底层，理解软件性能瓶颈根源的软件工程师。 正在进行或计划进行内核模块开发、设备驱动编写的专业人员。 需要对系统调用、进程调度和内存管理有权威性理解的研究人员或高级系统管理员。 本书的特点： 本书基于最新的Linux内核版本源码进行分析，确保理论与实践的同步性。每章都配有详尽的代码片段和结构体定义剖析，旨在将抽象的内核概念转化为可理解、可操作的知识体系。阅读本书，您将不再把Linux视为一个“黑箱”，而是能洞察其内部运作的精妙设计。

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