奔跑吧 Linux内核 入门篇
第 1章 Linux系统入门1
1．1 Linux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 5
1．3．1 宏内核和微内核 5
1．3．2 Linux内核概貌 6
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1．1 Linux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 5
1．3．1 宏内核和微内核 5
1．3．2 Linux内核概貌 6
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张天飞，笔名“笨叔叔”，Linux内核爱好者，从事Linux内核和驱动开发十余年，曾在多家芯片公司从事过手机芯片底层软件开发和客户支持工作。著有《奔跑吧 Linux内核》一书。
本书是一本介绍Linux内核实践的入门书，基于Linux 4.0内核，重点讲解Linux内核的理论和实验。本书分为12章，包括Linux系统入门、Linux内核基础知识、内核编译和调试、内核模块、简单的字符设备驱动、系统调用、内存管理、进程管理、同步管理、中断管理、调试和性能优化，以及如何参与开源社区等内容。此外，本书还介绍了Linux内核社区常用的开发工具和理论，如Vim 8和git工具等。书中包括70多个实验，帮助读者深入理解Linux内核。
第 1章 Linux系统入门1
1．1 Linux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 5
1．3．1 宏内核和微内核 5
1．3．2 Linux内核概貌 6
1．4 如何学习Linux内核 9
1．5 Linux内核实验入门 10
1．5．1 实验1：在虚拟机中安装优麒麟Linux 18．04系统 10
1．5．2 实验2：给优麒麟Linux系统更换“心脏” 14
1．5．3 实验3：使用定制的内核runninglinuxkernel 15
1．5．4 实验4：如何编译和运行一个ARM Linux内核 19
第 2章 Linux内核基础知识 22
2．1 Linux常用的编译工具 22
2．1．1 GCC工具 22
2．1．2 ARM GCC 23
2．1．3 GCC编译 24
2．2 Linux内核中常用的C语言技巧 25
2．3 Linux内核中常用的数据结构和算法 31
2．3．1 链表 31
2．3．2 红黑树 34
2．3．3 无锁环形缓冲区 36
2．4 Vim工具的使用 38
2．4．1 Vim 8介绍 38
2．4．2 Vim的基本模式 38
2．4．3 Vim中3种模式的切换 39
2．4．4 Vim光标的移动 40
2．4．5 删除、复制和粘贴 41
2．4．6 查找和替换 41
2．4．7 文件相关 41
2．5 git工具的使用 42
2．5．1 安装git 43
2．5．2 git基本操作 43
2．5．3 分支管理 46
2．6 实验 48
2．6．1 实验1：GCC编译 48
2．6．2 实验2：内核链表 51
2．6．3 实验3：红黑树 52
2．6．4 实验4：使用Vim工具 52
2．6．5 实验5：把Vim打造成一个强大的IDE编辑工具 52
2．6．6 实验6：建立一个git本地仓库 60
2．6．7 实验7：解决合并分支冲突 62
2．6．8 实验8：利用git来管理Linux内核开发 65
2．6．9 实验9：利用git来管理项目代码 67
第3章 内核编译和调试 73
3．1 内核配置 73
3．1．1 内核配置工具 73
3．1．2 ．config文件 74
3．2 实验1：通过QEMU调试ARM Linux内核 76
3．3 实验2：通过QEMU调试ARMv8的Linux内核 78
3．4 实验3：通过Eclipse+QEMU单步调试内核 81
3．5 实验4：在QEMU中添加文件系统的支持 85
第4章 内核模块 86
4．1 从一个内核模块开始 86
4．2 模块参数 90
4．3 符号共享 92
4．4 实验 93
4．4．1 实验1：编写一个简单的内核模块 93
4．4．2 实验2：向内核模块传递参数 95
4．4．3 实验3：在模块之间导出符号 95
第5章 简单的字符设备驱动 96
5．1 实验1：从一个简单的字符设备开始 97
5．2 字符设备驱动详解 102
5．2．1 字符设备驱动的抽象 102
5．2．2 设备号的管理 104
5．2．3 设备节点 104
5．2．4 字符设备操作方法集 105
5．3 实验2：使用misc机制来创建设备 107
5．4 一个简单的虚拟设备 109
5．4．1 实验3：为虚拟设备编写驱动 109
5．4．2 实验4：使用KFIFO改进设备驱动 112
5．5 阻塞I O和非阻塞I O 115
5．5．1 实验5：把虚拟设备驱动改成非阻塞模式 115
5．5．2 实验6：把虚拟设备驱动改成阻塞模式 118
5．6 I O多路复用 122
5．6．1 Linux的I O多路复用 122
5．6．2 实验7：向虚拟设备中添加I O多路复用支持 123
5．7 实验8：为什么不能唤醒读写进程 128
5．8 实验9：向虚拟设备中添加异步通知 129
5．9 本章小结 133
第6章 系统调用 134
6．1 系统调用概念 134
6．1．1 系统调用和POSIX标准 135
6．1．2 系统调用表 135
6．1．3 用程序访问系统调用 136
6．1．4 新增系统调用 137
6．2 实验 137
6．2．1 实验1：在ARM32机器上新增一个系统调用 137
6．2．2 实验2：在优麒麟Linux机器上新增一个系统调用 138
第7章 内存管理 139
7．1 从硬件角度看内存管理 139
7．1．1 内存管理的“远古时代” 139
7．1．2 分段机制 141
7．1．3 分页机制 142
7．1．4 虚拟地址到物理地址的转换 143
7．2 从软件角度看内存管理 144
7．2．1 free命令 144
7．2．2 从应用编程角度看内存管理 145
7．2．3 从内存布局图角度看内存管理 146
7．2．4 从进程角度看内存管理 150
7．3 物理内存管理 154
7．3．1 物理页面 155
7．3．2 内存管理区 159
7．3．3 分配和释放页面 162
7．3．4 分配小块内存 170
7．4 虚拟内存管理 177
7．4．1 进程地址空间 177
7．4．2 内存描述符mm_struct 178
7．4．3 VMA管理 180
7．4．4 malloc分配函数 183
7．4．5 mmap 185
7．5 缺页异常 188
7．5．1 do_page_fault函数 189
7．5．2 匿名页面缺页异常 190
7．5．3 文件映射缺页中断 190
7．5．4 写时复制缺页异常 191
7．5．5 缺页异常小结 192
7．6 内存短缺 193
7．6．1 页面回收算法 193
7．6．2 OOM Killer机制 194
7．7 内存管理实验 195
7．7．1 实验1：查看系统内存信息 195
7．7．2 实验2：获取系统的物理内存信息 197
7．7．3 实验3：分配内存 199
7．7．4 实验4：slab 200
7．7．5 实验5：VMA 201
7．7．6 实验6：mmap 203
7．7．7 实验7：映射用户内存 203
7．7．8 实验8：OOM 204
第8章 进程管理 205
8．1 进程 205
8．1．1 进程的来由 205
8．1．2 进程描述符 207
8．1．3 进程的生命周期 209
8．1．4 进程标识 212
8．1．5 进程间的家族关系 212
8．1．6 获取当前进程 214
8．2 进程的创建和终止 216
8．2．1 写时复制技术 216
8．2．2 fork()函数 217
8．2．3 vfork()函数 218
8．2．4 clone()函数 218
8．2．5 内核线程 219
8．2．6 do_fork()函数 219
8．2．7 终止进程 221
8．2．8 僵尸进程和托孤进程 222
8．2．9 进程0和进程1 222
8．3 进程调度 223
8．3．1 进程分类 224
8．3．2 进程优先级 224
8．3．3 时间片 225
8．3．4 经典调度算法 225
8．3．5 Linux O(n)调度算法 228
8．3．6 Linux O(1)调度算法 228
8．3．7 Linux CFS调度算法 228
8．3．8 进程切换 233
8．3．9 与调度相关的数据结构 239
8．4 多核调度 241
8．4．1 调度域和调度组 241
8．4．2 负载计算 244
8．4．3 负载均衡算法 245
8．5 实验 246
8．5．1 实验1：fork和clone 246
8．5．2 实验2：内核线程 247
8．5．3 实验3：后台守护进程 247
8．5．4 实验4：进程权限 247
8．5．5 实验5：设置优先级 247
8．5．6 实验6：per-cpu变量 248
第9章 同步管理 250
9．1 原子操作与内存屏障 251
9．1．1 原子操作 251
9．1．2 内存屏障 253
9．2 自旋锁机制 254
9．2．1 自旋锁定义 254
9．2．2 自旋锁变种 256
9．2．3 自旋锁和raw_spin_lock 257
9．2．4 自旋锁的改进 257
9．3 信号量 258
9．4 互斥体 259
9．5 读写锁 261
9．5．1 读写锁定义 261
9．5．2 读写信号量 262
9．6 RCU 264
9．7 等待队列 267
9．7．1 等待队列头 267
9．7．2 等待队列节点 268
9．8 实验 269
9．8．1 实验1：自旋锁 269
9．8．2 实验2：互斥锁 269
9．8．3 实验3：RCU 269
第 10章 中断管理 270
10．1 Linux中断管理机制 270
10．1．1 ARM中断控制器 271
10．1．2 硬件中断号和Linux中断号的映射 275
10．1．3 注册中断 276
10．2 软中断和tasklet 278
10．2．1 SoftIRQ软中断 279
10．2．2 tasklet 280
10．2．3 local_bh_disable local_bh_enable 281
10．2．4 本节小结 282
10．3 工作队列机制 282
10．3．1 工作队列类型 283
10．3．2 使用工作队列 285
10．3．3 本节小结 285
10．4 实验 286
10．4．1 实验1：tasklet 286
10．4．2 实验2：工作队列 286
10．4．3 实验3：定时器和内核线程 287
第 11章 调试和性能优化 288
11．1 printk和动态输出 289
11．1．1 printk输出函数 289
11．1．2 动态输出 290
11．1．3 实验1：printk 292
11．1．4 实验2：动态输出 292
11．2 proc和debugfs 293
11．2．1 proc文件系统 293
11．2．2 sys文件系统 295
11．2．3 debugfs 296
11．2．4 实验3：procfs 297
11．2．5 实验4：sysfs 298
11．2．6 实验5：debugfs 300
11．3 ftrace 301
11．3．1 irqs跟踪器 302
11．3．2 preemptoff跟踪器 304
11．3．3 preemptirqsoff跟踪器 305
11．3．4 function跟踪器 306
11．3．5 动态ftrace 307
11．3．6 事件跟踪 308
11．3．7 实验6：使用frace 310
11．3．8 实验7：添加一个新的跟踪点 311
11．3．9 实验8：使用示踪标志 314
11．3．10 实验9：使用kernelshark来分析数据 317
11．4 实验10：分析oops错误 319
11．5 perf性能分析工具 323
11．5．1 实验11：使用perf工具来进行性能分析 328
11．5．2 实验12：采集perf数据生成火焰图 329
11．6 内存检测 329
11．6．1 实验13：使用slub_debug检查内存泄漏 330
11．6．2 实验14：使用kmemleak检查内存泄漏 335
11．6．3 实验15：使用kasan检查内存泄漏 337
11．6．4 实验16：使用valgrind检查内存泄漏 340
11．7 实验17：kdump 342
11．8 性能和测试 348
11．8．1 性能测试概述 348
11．8．2 实验18：使用lkp-tests工具进行性能测试 349
第 12章 开源社区 350
12．1 什么是开源社区 350
12．1．1 开源软件的发展历史 350
12．1．2 Linux基金会 351
12．1．3 开源协议 351
12．1．4 Linux内核社区 353
12．1．5 国内开源社区 354
12．2 参与开源社区 354
12．2．1 参与开源项目的好处 354
12．2．2 如何参与开源项目 355
12．3 实验1：使用cppcheck检查代码 356
12．4 实验2：提交第 一个Linux内核补丁 357
12．5 实验3：管理和提交多个补丁组成的补丁集 359
12．6 实验4：在Gitee中创建一个开源项目 363
参考文献 366
^ 收 起
1．1 Linux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 5
1．3．1 宏内核和微内核 5
1．3．2 Linux内核概貌 6
1．4 如何学习Linux内核 9
1．5 Linux内核实验入门 10
1．5．1 实验1：在虚拟机中安装优麒麟Linux 18．04系统 10
1．5．2 实验2：给优麒麟Linux系统更换“心脏” 14
1．5．3 实验3：使用定制的内核runninglinuxkernel 15
1．5．4 实验4：如何编译和运行一个ARM Linux内核 19
第 2章 Linux内核基础知识 22
2．1 Linux常用的编译工具 22
2．1．1 GCC工具 22
2．1．2 ARM GCC 23
2．1．3 GCC编译 24
2．2 Linux内核中常用的C语言技巧 25
2．3 Linux内核中常用的数据结构和算法 31
2．3．1 链表 31
2．3．2 红黑树 34
2．3．3 无锁环形缓冲区 36
2．4 Vim工具的使用 38
2．4．1 Vim 8介绍 38
2．4．2 Vim的基本模式 38
2．4．3 Vim中3种模式的切换 39
2．4．4 Vim光标的移动 40
2．4．5 删除、复制和粘贴 41
2．4．6 查找和替换 41
2．4．7 文件相关 41
2．5 git工具的使用 42
2．5．1 安装git 43
2．5．2 git基本操作 43
2．5．3 分支管理 46
2．6 实验 48
2．6．1 实验1：GCC编译 48
2．6．2 实验2：内核链表 51
2．6．3 实验3：红黑树 52
2．6．4 实验4：使用Vim工具 52
2．6．5 实验5：把Vim打造成一个强大的IDE编辑工具 52
2．6．6 实验6：建立一个git本地仓库 60
2．6．7 实验7：解决合并分支冲突 62
2．6．8 实验8：利用git来管理Linux内核开发 65
2．6．9 实验9：利用git来管理项目代码 67
第3章 内核编译和调试 73
3．1 内核配置 73
3．1．1 内核配置工具 73
3．1．2 ．config文件 74
3．2 实验1：通过QEMU调试ARM Linux内核 76
3．3 实验2：通过QEMU调试ARMv8的Linux内核 78
3．4 实验3：通过Eclipse+QEMU单步调试内核 81
3．5 实验4：在QEMU中添加文件系统的支持 85
第4章 内核模块 86
4．1 从一个内核模块开始 86
4．2 模块参数 90
4．3 符号共享 92
4．4 实验 93
4．4．1 实验1：编写一个简单的内核模块 93
4．4．2 实验2：向内核模块传递参数 95
4．4．3 实验3：在模块之间导出符号 95
第5章 简单的字符设备驱动 96
5．1 实验1：从一个简单的字符设备开始 97
5．2 字符设备驱动详解 102
5．2．1 字符设备驱动的抽象 102
5．2．2 设备号的管理 104
5．2．3 设备节点 104
5．2．4 字符设备操作方法集 105
5．3 实验2：使用misc机制来创建设备 107
5．4 一个简单的虚拟设备 109
5．4．1 实验3：为虚拟设备编写驱动 109
5．4．2 实验4：使用KFIFO改进设备驱动 112
5．5 阻塞I O和非阻塞I O 115
5．5．1 实验5：把虚拟设备驱动改成非阻塞模式 115
5．5．2 实验6：把虚拟设备驱动改成阻塞模式 118
5．6 I O多路复用 122
5．6．1 Linux的I O多路复用 122
5．6．2 实验7：向虚拟设备中添加I O多路复用支持 123
5．7 实验8：为什么不能唤醒读写进程 128
5．8 实验9：向虚拟设备中添加异步通知 129
5．9 本章小结 133
第6章 系统调用 134
6．1 系统调用概念 134
6．1．1 系统调用和POSIX标准 135
6．1．2 系统调用表 135
6．1．3 用程序访问系统调用 136
6．1．4 新增系统调用 137
6．2 实验 137
6．2．1 实验1：在ARM32机器上新增一个系统调用 137
6．2．2 实验2：在优麒麟Linux机器上新增一个系统调用 138
第7章 内存管理 139
7．1 从硬件角度看内存管理 139
7．1．1 内存管理的“远古时代” 139
7．1．2 分段机制 141
7．1．3 分页机制 142
7．1．4 虚拟地址到物理地址的转换 143
7．2 从软件角度看内存管理 144
7．2．1 free命令 144
7．2．2 从应用编程角度看内存管理 145
7．2．3 从内存布局图角度看内存管理 146
7．2．4 从进程角度看内存管理 150
7．3 物理内存管理 154
7．3．1 物理页面 155
7．3．2 内存管理区 159
7．3．3 分配和释放页面 162
7．3．4 分配小块内存 170
7．4 虚拟内存管理 177
7．4．1 进程地址空间 177
7．4．2 内存描述符mm_struct 178
7．4．3 VMA管理 180
7．4．4 malloc分配函数 183
7．4．5 mmap 185
7．5 缺页异常 188
7．5．1 do_page_fault函数 189
7．5．2 匿名页面缺页异常 190
7．5．3 文件映射缺页中断 190
7．5．4 写时复制缺页异常 191
7．5．5 缺页异常小结 192
7．6 内存短缺 193
7．6．1 页面回收算法 193
7．6．2 OOM Killer机制 194
7．7 内存管理实验 195
7．7．1 实验1：查看系统内存信息 195
7．7．2 实验2：获取系统的物理内存信息 197
7．7．3 实验3：分配内存 199
7．7．4 实验4：slab 200
7．7．5 实验5：VMA 201
7．7．6 实验6：mmap 203
7．7．7 实验7：映射用户内存 203
7．7．8 实验8：OOM 204
第8章 进程管理 205
8．1 进程 205
8．1．1 进程的来由 205
8．1．2 进程描述符 207
8．1．3 进程的生命周期 209
8．1．4 进程标识 212
8．1．5 进程间的家族关系 212
8．1．6 获取当前进程 214
8．2 进程的创建和终止 216
8．2．1 写时复制技术 216
8．2．2 fork()函数 217
8．2．3 vfork()函数 218
8．2．4 clone()函数 218
8．2．5 内核线程 219
8．2．6 do_fork()函数 219
8．2．7 终止进程 221
8．2．8 僵尸进程和托孤进程 222
8．2．9 进程0和进程1 222
8．3 进程调度 223
8．3．1 进程分类 224
8．3．2 进程优先级 224
8．3．3 时间片 225
8．3．4 经典调度算法 225
8．3．5 Linux O(n)调度算法 228
8．3．6 Linux O(1)调度算法 228
8．3．7 Linux CFS调度算法 228
8．3．8 进程切换 233
8．3．9 与调度相关的数据结构 239
8．4 多核调度 241
8．4．1 调度域和调度组 241
8．4．2 负载计算 244
8．4．3 负载均衡算法 245
8．5 实验 246
8．5．1 实验1：fork和clone 246
8．5．2 实验2：内核线程 247
8．5．3 实验3：后台守护进程 247
8．5．4 实验4：进程权限 247
8．5．5 实验5：设置优先级 247
8．5．6 实验6：per-cpu变量 248
第9章 同步管理 250
9．1 原子操作与内存屏障 251
9．1．1 原子操作 251
9．1．2 内存屏障 253
9．2 自旋锁机制 254
9．2．1 自旋锁定义 254
9．2．2 自旋锁变种 256
9．2．3 自旋锁和raw_spin_lock 257
9．2．4 自旋锁的改进 257
9．3 信号量 258
9．4 互斥体 259
9．5 读写锁 261
9．5．1 读写锁定义 261
9．5．2 读写信号量 262
9．6 RCU 264
9．7 等待队列 267
9．7．1 等待队列头 267
9．7．2 等待队列节点 268
9．8 实验 269
9．8．1 实验1：自旋锁 269
9．8．2 实验2：互斥锁 269
9．8．3 实验3：RCU 269
第 10章 中断管理 270
10．1 Linux中断管理机制 270
10．1．1 ARM中断控制器 271
10．1．2 硬件中断号和Linux中断号的映射 275
10．1．3 注册中断 276
10．2 软中断和tasklet 278
10．2．1 SoftIRQ软中断 279
10．2．2 tasklet 280
10．2．3 local_bh_disable local_bh_enable 281
10．2．4 本节小结 282
10．3 工作队列机制 282
10．3．1 工作队列类型 283
10．3．2 使用工作队列 285
10．3．3 本节小结 285
10．4 实验 286
10．4．1 实验1：tasklet 286
10．4．2 实验2：工作队列 286
10．4．3 实验3：定时器和内核线程 287
第 11章 调试和性能优化 288
11．1 printk和动态输出 289
11．1．1 printk输出函数 289
11．1．2 动态输出 290
11．1．3 实验1：printk 292
11．1．4 实验2：动态输出 292
11．2 proc和debugfs 293
11．2．1 proc文件系统 293
11．2．2 sys文件系统 295
11．2．3 debugfs 296
11．2．4 实验3：procfs 297
11．2．5 实验4：sysfs 298
11．2．6 实验5：debugfs 300
11．3 ftrace 301
11．3．1 irqs跟踪器 302
11．3．2 preemptoff跟踪器 304
11．3．3 preemptirqsoff跟踪器 305
11．3．4 function跟踪器 306
11．3．5 动态ftrace 307
11．3．6 事件跟踪 308
11．3．7 实验6：使用frace 310
11．3．8 实验7：添加一个新的跟踪点 311
11．3．9 实验8：使用示踪标志 314
11．3．10 实验9：使用kernelshark来分析数据 317
11．4 实验10：分析oops错误 319
11．5 perf性能分析工具 323
11．5．1 实验11：使用perf工具来进行性能分析 328
11．5．2 实验12：采集perf数据生成火焰图 329
11．6 内存检测 329
11．6．1 实验13：使用slub_debug检查内存泄漏 330
11．6．2 实验14：使用kmemleak检查内存泄漏 335
11．6．3 实验15：使用kasan检查内存泄漏 337
11．6．4 实验16：使用valgrind检查内存泄漏 340
11．7 实验17：kdump 342
11．8 性能和测试 348
11．8．1 性能测试概述 348
11．8．2 实验18：使用lkp-tests工具进行性能测试 349
第 12章 开源社区 350
12．1 什么是开源社区 350
12．1．1 开源软件的发展历史 350
12．1．2 Linux基金会 351
12．1．3 开源协议 351
12．1．4 Linux内核社区 353
12．1．5 国内开源社区 354
12．2 参与开源社区 354
12．2．1 参与开源项目的好处 354
12．2．2 如何参与开源项目 355
12．3 实验1：使用cppcheck检查代码 356
12．4 实验2：提交第 一个Linux内核补丁 357
12．5 实验3：管理和提交多个补丁组成的补丁集 359
12．6 实验4：在Gitee中创建一个开源项目 363
参考文献 366
^ 收 起
张天飞，笔名“笨叔叔”，Linux内核爱好者，从事Linux内核和驱动开发十余年，曾在多家芯片公司从事过手机芯片底层软件开发和客户支持工作。著有《奔跑吧 Linux内核》一书。
本书是一本介绍Linux内核实践的入门书，基于Linux 4.0内核，重点讲解Linux内核的理论和实验。本书分为12章，包括Linux系统入门、Linux内核基础知识、内核编译和调试、内核模块、简单的字符设备驱动、系统调用、内存管理、进程管理、同步管理、中断管理、调试和性能优化，以及如何参与开源社区等内容。此外，本书还介绍了Linux内核社区常用的开发工具和理论，如Vim 8和git工具等。书中包括70多个实验，帮助读者深入理解Linux内核。
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