深入分析linux内核源码

【实例截图】

【核心代码】

目 录
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
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– 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
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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
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– 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
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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
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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
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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