【免费】Linux内核设计与实现_重点内容.pdf资源-CSDN文库

需积分: 0 150 浏览量 2019-08-27 15:23:09 上传评论收藏 5.44MB PDF 举报

Linux内核设计与实现是Robert Love所著的一本书，主要介绍Linux内核的内部工作原理以及如何进行内核开发。书中详尽地探讨了进程管理、调度、系统调用、中断处理、内核同步机制、定时器和时间管理、内存管理等核心模块，是Linux内核开发者必备的学习资料之一。以下是对《Linux内核设计与实现》中涉及的关键知识点的详细解读。 1. Linux内核简介 Linux内核是一个自由和开放源代码的操作系统内核，具备模块化的设计特点，支持广泛的硬件平台。内核是操作系统中最为核心的部分，负责管理CPU、内存和设备驱动程序，提供系统调用以供用户空间的应用程序调用。与传统Unix内核相比，Linux内核在设计上有很多相似之处，例如使用虚拟文件系统（VFS）统一不同的文件系统，支持多用户、多任务等。 2. 进程管理进程管理是操作系统内核的基本功能之一，涉及进程的创建、运行、状态转换和终止。Linux内核使用进程描述符（task_struct）来描述进程信息，进程状态包括运行、睡眠、停止等。进程创建通常通过fork()系统调用进行，其基于写时拷贝（Copy-On-Write）机制。线程在Linux中被视为与其他进程共享资源的轻量级进程。调度器负责决定哪个进程获得处理器时间，调度策略包括I/O消耗型和处理器消耗型的进程、进程优先级等。 3. 系统调用系统调用是用户空间程序与内核通信的接口。Linux系统调用API与POSIX标准保持兼容，并通过C库提供接口。系统调用号用于唯一标识系统调用，其性能对系统效率有重要影响。系统调用处理程序负责接收来自用户空间的调用请求，并将其分派到相应的内核函数。 4. 中断和中断处理程序中断处理是操作系统处理外部事件的基本机制。中断可以分为硬件中断和软件中断。硬件中断处理程序需要被迅速执行，而软件中断则可推迟执行。中断处理程序的注册和编写要求编写者对硬件和内核机制有深入理解。下半部（bottom halves）机制被用于处理不紧急的中断任务，以减少对中断处理程序的延迟影响。 5. 内核同步介绍内核同步是为了防止并发执行导致的数据不一致而引入的机制。临界区是指同一时间只能有一个线程访问的代码片段。加锁是实现同步的主要手段，自旋锁、读-写锁、信号量、序列锁等是常用的锁机制。死锁是需要避免的状态，争用和扩展性关注同步机制对性能的影响。 6. 定时器和时间管理定时器用于在指定的时间之后执行任务，而时间管理是操作系统跟踪和维护时间概念（如时间戳）的关键机制。内核中的时间概念包括节拍率（Hz）、jiffies等。硬时钟和定时器用于生成定时中断，时钟中断处理程序用于维护系统时间。 7. 内存管理 Linux内核对内存的管理涉及页、区的概念，通过slab层提高内存分配效率。获得页（如获取填充为0的页）、释放页是内存管理的基本操作。内存管理机制负责管理物理和虚拟内存，确保每个进程有独立的内存空间。以上内容只是对《Linux内核设计与实现》所涉及知识点的概述，每一点都包含着丰富的细节和深入的讨论，为想要深入了解Linux内核机制的开发者提供了详实的理论基础和实践经验。

资源详情

资源评论

I 
《Linux  内核设计与实现》 
第一版 
Robert Love  著 
 
Linux  内核简介 ............................................................................................................................................................................ 1 
1 Linux 简介 ................................................................................................................................................................................................................................... 1 
2  操作系统和内核简介 .............................................................................................................................................................................................................. 1 
3 Linux 内核和传统 Unix 内核的比较 .................................................................................................................................................................................... 2 
4 Linux 内核版本 .......................................................................................................................................................................................................................... 2 
5 Linux 内核开发者社区 ............................................................................................................................................................................................................. 2 
6  内核开发的特点 ....................................................................................................................................................................................................................... 2 
6.1  没有 libc 库 ....................................................................................................................................................................................................................... 2 
6.2 GNU C ................................................................................................................................................................................................................................. 2 
6.3  没有内存保护机制 ......................................................................................................................................................................................................... 3 
6.4  不要轻易在内核中使用浮点数 ................................................................................................................................................................................... 3 
6.5  容积小而固定的栈 ......................................................................................................................................................................................................... 3 
6.6  同步和并发 ....................................................................................................................................................................................................................... 3 
6.7  可移植性的重要性 ......................................................................................................................................................................................................... 3 
7  编译内核 ..................................................................................................................................................................................................................................... 4 
进程管理 ....................................................................................................................................................................................... 5 
1  进程描述符及任务队列 ......................................................................................................................................................................................................... 5 
1.1  分配进程描述符 .............................................................................................................................................................................................................. 5 
1.2  进程描述符的存放 ......................................................................................................................................................................................................... 6 
1.3  进程状态 ............................................................................................................................................................................................................................ 6 
1.4  设置当前进程状态 ......................................................................................................................................................................................................... 6 
1.5  进程上下文 ....................................................................................................................................................................................................................... 7 
2  进程创建 ..................................................................................................................................................................................................................................... 8 
2.1  写时拷贝 ............................................................................................................................................................................................................................ 8 
2.2 fork()..................................................................................................................................................................................................................................... 8 
2.3 vfork() .................................................................................................................................................................................................................................. 8 
3  线程在 Linux 中的实现 .......................................................................................................................................................................................................... 9 
4  进程终结 ................................................................................................................................................................................................................................... 10 
4.1  删除进程描述符 ............................................................................................................................................................................................................ 10 
4.2  孤儿进程造成的进退维谷 .......................................................................................................................................................................................... 11 
调度 ............................................................................................................................................................................................. 12 
1  策略 ............................................................................................................................................................................................................................................ 12 
1.1 I/O 消耗型和处理器消耗型的进程 .......................................................................................................................................................................... 12 

II 
1.2  进程优先级 ..................................................................................................................................................................................................................... 12 
1.3  时间片 .............................................................................................................................................................................................................................. 12 
1.4  进程抢占 .......................................................................................................................................................................................................................... 13 
1.5  调度策略的活动 ............................................................................................................................................................................................................ 13 
2  调度算法 ................................................................................................................................................................................................................................... 13 
2.1  可执行队列 ..................................................................................................................................................................................................................... 13 
2.2  优先级数组 ..................................................................................................................................................................................................................... 14 
2.3  重新计算时间片 ............................................................................................................................................................................................................ 15 
2.4  计算优先级和时间片 ................................................................................................................................................................................................... 16 
2.5  睡眠和唤醒 ..................................................................................................................................................................................................................... 17 
2.6  负载平衡程序 ................................................................................................................................................................................................................ 18 
3  抢占和上下文切换 ................................................................................................................................................................................................................ 19 
3.1  用户抢占 .......................................................................................................................................................................................................................... 19 
3.2  内核抢占 .......................................................................................................................................................................................................................... 19 
4  实时 ............................................................................................................................................................................................................................................ 20 
5  与调度相关的系统调用 ....................................................................................................................................................................................................... 20 
5.1  与调度策略和优先级相关的系统调用 ................................................................................................................................................................... 20 
5.2  与处理器绑定有关的系统调用 ................................................................................................................................................................................. 20 
5.3  放弃处理器时间 ............................................................................................................................................................................................................ 21 
系统调用 ..................................................................................................................................................................................... 22 
1 API、POSIX 和 C 库 ............................................................................................................................................................................................................... 22 
2  系统调用 ................................................................................................................................................................................................................................... 22 
2.1  系统调用号 ..................................................................................................................................................................................................................... 22 
2.2  系统调用的性能 ............................................................................................................................................................................................................ 23 
3  系统调用处理程序 ................................................................................................................................................................................................................ 23 
3.1  指定恰当的系统调用 ................................................................................................................................................................................................... 23 
3.2  参数传递 .......................................................................................................................................................................................................................... 23 
4  系统调用的实现 ..................................................................................................................................................................................................................... 23 
5  系统调用上下文 ..................................................................................................................................................................................................................... 24 
5.1  绑定一个系统调用的最后步骤 ................................................................................................................................................................................. 24 
5.2  从用户空间访问系统调用 .......................................................................................................................................................................................... 25 
5.3  为什么不通过系统调用的方式实现 ........................................................................................................................................................................ 26 
中断和中断处理程序 ................................................................................................................................................................ 27 
1  中断 ............................................................................................................................................................................................................................................ 27 
2  中断处理程序 ......................................................................................................................................................................................................................... 27 
3  注册中断处理程序 ................................................................................................................................................................................................................ 27 
4  编写中断处理程序 ................................................................................................................................................................................................................ 28 

III 
4.1  共享的中断处理程序 ................................................................................................................................................................................................... 29 
4.2  中断处理程序实例 ....................................................................................................................................................................................................... 29 
4.3  中断上下文 ..................................................................................................................................................................................................................... 30 
5  中断处理机制的实现 ............................................................................................................................................................................................................ 30 
6  中断控制 ................................................................................................................................................................................................................................... 32 
6.1  禁止和激活中断 ............................................................................................................................................................................................................ 32 
6.2  禁止指定中断线 ............................................................................................................................................................................................................ 33 
6.3  中断系统的状态 ............................................................................................................................................................................................................ 33 
下半部和推后执行的工作 ........................................................................................................................................................ 35 
1  下半部 ....................................................................................................................................................................................................................................... 35 
1.1  为什么要用下半部 ....................................................................................................................................................................................................... 35 
1.2  下半部的环境 ................................................................................................................................................................................................................ 35 
2  软中断 ....................................................................................................................................................................................................................................... 36 
2.1  软中断的实现 ................................................................................................................................................................................................................ 36 
2.2  使用软中断 ..................................................................................................................................................................................................................... 37 
3 Tasklets....................................................................................................................................................................................................................................... 38 
3.1 Tasklets 的实现 ............................................................................................................................................................................................................... 38 
3.2  使用 Tasklets .................................................................................................................................................................................................................. 39 
3.3 ksoftirqd ............................................................................................................................................................................................................................ 40 
3.4  老的 BH 机制 .................................................................................................................................................................................................................. 41 
4  工作队列 ................................................................................................................................................................................................................................... 41 
4.1  工作队列的实现 ............................................................................................................................................................................................................ 41 
4.2  使用工作队列 ................................................................................................................................................................................................................ 43 
4.3  老的任务队列机制 ....................................................................................................................................................................................................... 44 
5  下半部机制的选择 ................................................................................................................................................................................................................ 44 
6  在下半部之间加锁 ................................................................................................................................................................................................................ 45 
内核同步介绍 ............................................................................................................................................................................. 47 
1  临界区和竞争条件 ................................................................................................................................................................................................................ 47 
2  加锁 ............................................................................................................................................................................................................................................ 47 
2.1  到底是什么造成了并发执行 ..................................................................................................................................................................................... 48 
2.2  需要保护什么 ................................................................................................................................................................................................................ 48 
3  死锁 ............................................................................................................................................................................................................................................ 49 
4  争用和扩展性 ......................................................................................................................................................................................................................... 49 
5  小结 ............................................................................................................................................................................................................................................ 50 
内核同步方法 ............................................................................................................................................................................. 51 
1  原子操作 ................................................................................................................................................................................................................................... 51 
1.1  原子整数操作 ................................................................................................................................................................................................................ 51 

IV 
1.2  原子位操作 ..................................................................................................................................................................................................................... 52 
2  自旋锁 ....................................................................................................................................................................................................................................... 53 
2.1  其他针对自旋锁的操作 .............................................................................................................................................................................................. 54 
2.2  自旋锁和下半部 ............................................................................................................................................................................................................ 54 
3  读-写自旋锁 ............................................................................................................................................................................................................................ 54 
4  信号量 ....................................................................................................................................................................................................................................... 55 
4.1  创建和初始化信号量 ................................................................................................................................................................................................... 56 
4.2  使用信号量 ..................................................................................................................................................................................................................... 56 
5  读-写信号量 ............................................................................................................................................................................................................................ 57 
6  完成变量 ................................................................................................................................................................................................................................... 58 
7 BKL ............................................................................................................................................................................................................................................... 58 
8 Seq 锁 ......................................................................................................................................................................................................................................... 59 
9  禁止抢占 ................................................................................................................................................................................................................................... 59 
10  屏障 ......................................................................................................................................................................................................................................... 60 
定时器和时间管理 .................................................................................................................................................................... 62 
1  内核中的时间概念 ................................................................................................................................................................................................................ 62 
2  节拍率：Hz ............................................................................................................................................................................................................................. 62 
3 jiffies ............................................................................................................................................................................................................................................ 63 
3.1 jiffies 的内部表示 ........................................................................................................................................................................................................... 64 
3.2 jiffies 的回绕 .................................................................................................................................................................................................................... 64 
3.3  用户空间和 Hz ............................................................................................................................................................................................................... 65 
4  硬时钟和定时器 ..................................................................................................................................................................................................................... 65 
4.1  实时时钟 .......................................................................................................................................................................................................................... 65 
4.2  系统定时器 ..................................................................................................................................................................................................................... 65 
5  时钟中断处理程序 ................................................................................................................................................................................................................ 65 
6  实际时间 ................................................................................................................................................................................................................................... 67 
7  定时器 ....................................................................................................................................................................................................................................... 68 
7.1  使用定时器 ..................................................................................................................................................................................................................... 68 
7.2  定时器竞争条件 ............................................................................................................................................................................................................ 69 
7.3  实现定时器 ..................................................................................................................................................................................................................... 69 
8  延迟执行 ................................................................................................................................................................................................................................... 69 
8.1  忙等待 .............................................................................................................................................................................................................................. 69 
8.2  短延迟 .............................................................................................................................................................................................................................. 70 
内存管理 ................................................................................................................................................................................... 72 
1  页 .............................................................................................................................................................................................................................................. 72 
2  区 .............................................................................................................................................................................................................................................. 72 
3  获得页 ..................................................................................................................................................................................................................................... 74 

V 
3.1  获得填充为 0 的页 ..................................................................................................................................................................................................... 74 
3.2  释放页 ............................................................................................................................................................................................................................ 74 
4 slab 层 ...................................................................................................................................................................................................................................... 77 
5 slab 分配器的接口 ............................................................................................................................................................................................................... 79 
6  在栈上的静态分配 .............................................................................................................................................................................................................. 80 
7  高端内存的映射................................................................................................................................................................................................................... 81 
7.1  永久映射 ....................................................................................................................................................................................................................... 81 
7.2  临时映射 ....................................................................................................................................................................................................................... 81 
8  分配函数选择 ....................................................................................................................................................................................................................... 82 
虚拟文件系统........................................................................................................................................................................... 83 
1  通用文件系统接口 .............................................................................................................................................................................................................. 83 
2  文件系统抽象层................................................................................................................................................................................................................... 83 
3 Unix 文件系统 ....................................................................................................................................................................................................................... 83 
4 VFS 对象及其数据结构 ....................................................................................................................................................................................................... 84 
5  超级块对象 ............................................................................................................................................................................................................................ 84 
6  索引节点对象 ....................................................................................................................................................................................................................... 87 
7  目录项对象 ............................................................................................................................................................................................................................ 90 
7.1  目录项状态 ................................................................................................................................................................................................................... 90 
7.2  目录项缓存 ................................................................................................................................................................................................................... 91 
7.3  目录项操作 ................................................................................................................................................................................................................... 91 
8  文件对象 ................................................................................................................................................................................................................................ 92 
9  和文件系统相关的数据结构 ............................................................................................................................................................................................ 94 
10  与进程相关的数据结构 .................................................................................................................................................................................................. 95 
11 Linux 中的文件系统 .......................................................................................................................................................................................................... 96 
块 I/O 层 ................................................................................................................................................................................... 97 
1  解剖一个块设备................................................................................................................................................................................................................... 97 
2  缓冲区和缓冲区头 .............................................................................................................................................................................................................. 97 
3 bio 结构体 .............................................................................................................................................................................................................................. 98 
4  请求队列 .............................................................................................................................................................................................................................. 100 
5 I/O 调度程序 ........................................................................................................................................................................................................................ 100 
5.1 I/O 调度程序的工作 ................................................................................................................................................................................................. 100 
5.2 Linus 电梯 .................................................................................................................................................................................................................... 101 
5.3  最终期限 I/O 调度程序 .......................................................................................................................................................................................... 101 
5.4  预测 I/O 调度程序 .................................................................................................................................................................................................... 102 
进程地址空间........................................................................................................................................................................ 103 
1  内存描述符 .......................................................................................................................................................................................................................... 103 
1.1  分配内存描述符 ........................................................................................................................................................................................................ 104 

剩余149页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

Linux内核设计与实现_重点内容.pdf

评论0

最新资源

Linux内核设计与实现_重点内容.pdf

评论0

最新资源

相关推荐

linux内核设计与实现.pdf

Linux内核设计与实现.pdf

LINUX-1.2.13内核网络栈实现源代码分析.pdf

linux内核完全注释.pdf

linux24x_sec_impl.pdf

深入理解Linux内核(第三版 中文版).pdf 高清下载

linux 内核设计与实现

linux内核设计与实现

Netfilter_读书笔记.pdf

在Linux内核上实现Windows进程的研究.pdf

Quectel_8953_I2C_Description_V1.0.pdf

Linux 内核设计与实现

Linux内核设计与实现

Linux内核完全注释.pdf

LINUX内核源代码情景分析_linux_

RedHat_Linux_9_安装手册_介绍.pdf

Linux_Performance_Tuning.pdf

Linux Kernel Development_2nd.pdf

深入理解Linux内核(第三版中文版).pdf 高清下载