深入Linux内核架构与底层原理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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刘京洋，韩方著 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121322907

商品编码：20881699350

开本：16开

出版时间：2017-11-01

页数：382

字数：453000

作  者:刘京洋,韩方 著 定  价:89 出 版 社:电子工业出版社 出版日期:2017年11月01日 页  数:382 装  帧:平装 ISBN:9787121322907 ●linux总览
●1.简介
●2.Linux学习曲线和职业曲线
●3.如何形成一个内核
●第二章Linux内核架构
●1.常见架构范式与核心系统
●2.基础功能元素
●3.特殊硬件框架
●4.特殊软件机制
●5.系统调用
●第三章内核数据结构
●1.链表与哈希表
●2.LRU
●3.树
●4.其他常见数据结构
●第四章Linux系统的启动
●1.启动的硬件支持
●2.Bootloader和内核二进制
●3.启动原理
●第五章进程（重点）
●部分目录

内容简介

本书主要描述Linux系统的总体框架和设计思想，包含很多可以直接操作的实例，目的是希望读者对Linux系统背后的逻辑有一个全面的了解。本书力求贴近实际的工作使用，在比较核心且常用的技术点有更加深入的解释，对实际使用Linux系统工作大有裨益。这些子系统都是Linux系统运行中很好重要的领域，是深入理解Linux系统原理不可或缺的知识补充。 刘京洋,韩方 著 刘京洋，中山大学双学士、硕士，创建中山大学嵌入式组，在嵌入式实验室工作6年。工作早期担任创业公司总经理，投资公司总裁助理，后来专心技术，先后就职于TP-LINK、YY直播和网易游戏，从事内核和网络安全研发，对Linux系统底层有深入的理解。很高兴与大家沟通探讨相关学术问题。
韩方，武汉大学研究生毕业，先后就职于华为和YY直播，具有多年安全领域的攻防对抗、安全体系建设和开发经验，精通Linux内核开发和应用开发，申请过多项发明专利，多次参加靠前外技术峰会并进行分享。

《程序员的自我修养》 前言 在浩瀚的技术海洋中，我们如同航行者，不断探索未知的疆域。每一次代码的敲击，每一次算法的优化，每一次系统架构的演进，都凝聚着无数智慧的结晶。然而，在追求高效、稳定、可扩展的软件工程实践时，我们往往会遇到一个核心的问题：如何才能真正理解软件的“内在”？如何才能超越表面 API 的调用，深入到指令执行、内存管理、并发协作的本质？ 《程序员的自我修养》正是为了回应这一深层需求而生。本书并非一本关于特定语言或框架的速成手册，更不是一套“照着做就能成功”的模板。相反，它是一次关于“理解”的旅程，一次对成为一名优秀工程师所需具备的“内功”的系统性探寻。我们相信，真正的“武林高手”，不在于招式的繁多，而在于对基本功的炉火纯青。 本书旨在为你构建一个坚实的理论基石，让你能够理解软件在底层是如何运作的，以及这些运作机制如何影响着我们日常的编程实践。我们并非要让你成为一名汇编专家或操作系统内核开发者（除非你志存高远），而是希望让你拥有对底层原理的直观感受和深刻洞察。这种洞察力，将帮助你写出更健壮、更高效、更易于维护的代码，让你在面对复杂问题时，不再束手无策，而是能够从容分析，找到问题的根源。 第一章：代码之下的世界——从指令到执行 你是否曾好奇，当你按下“运行”按钮时，你写的 C/C++ 代码究竟是如何变成计算机可以理解的机器语言？你输入的每一个字符，是如何被 CPU 捕捉并执行的？本章将带领你穿越抽象的代码层面，窥探指令的本质。 我们将从二进制与十进制的转换开始，循序渐进地理解计算机如何表示数据。随后，我们将深入了解 CPU 的基本结构，包括寄存器、ALU（算术逻辑单元）和控制单元。通过分析简单的汇编指令，你将直观地看到变量的存储、算术运算、条件跳转等是如何在硬件层面实现的。例如，一个简单的 `a = b + c` 语句，在汇编层面又是如何一步步完成加载、加法和存储的？我们还将触及函数调用的过程，包括栈帧的创建与销毁，参数传递以及返回值的处理。理解这些，将帮助你理解代码执行的实际开销，以及某些编程习惯（例如递归深度）可能带来的潜在问题。 第二章：内存的奥秘——数据存储与访问的艺术 内存，是程序运行的舞台。数据的存储位置、访问方式，直接关系到程序的性能和稳定性。本章将揭开内存的神秘面纱，让你理解数据在内存中的“一生”。 我们将详细讲解内存的基本概念，包括内存地址、字节、字等。然后，我们将深入探讨不同的数据类型在内存中是如何布局的，以及结构体和数组的内存模型。你会了解到，为什么某些编程语言（如 C/C++）允许直接操作内存地址，而其他语言（如 Java、Python）则提供了更高级的抽象。更重要的是，我们将讲解内存对齐（Memory Alignment）的概念，理解它为何能提升访问速度，以及不当的对齐可能带来的性能损失。 此外，本章还将介绍虚拟内存系统。你将理解为什么我们的程序看到的内存地址与物理内存地址并不总是相同的，以及分页（Paging）、分段（Segmentation）等机制是如何实现的。这将帮助你理解为什么程序可以在物理内存不足的情况下运行，以及内存映射（Memory Mapping）是如何工作的。你还将了解到不同内存区域（栈、堆、全局变量区、代码区）的用途和特点，以及它们在程序生命周期中的角色。 第三章：并发的挑战——多线程与同步机制 在现代计算环境中，并发编程已成为提升性能和响应能力的关键。然而，多线程的引入也带来了前所未有的挑战。本章将深入探讨并发的世界，以及如何驯服它。 我们将从进程（Process）和线程（Thread）的基本概念入手，理解它们之间的区别与联系。然后，我们将详细介绍线程的创建、管理和生命周期。在实际编程中，你可能会遇到多个线程同时访问共享数据，导致数据不一致的问题。本章将为你提供解决这一问题的武器：同步机制。 我们将深入讲解互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）等核心同步原语。通过具体的代码示例，你将理解它们是如何防止竞态条件（Race Condition）的。同时，我们还将探讨死锁（Deadlock）产生的条件以及避免和解决死锁的策略。对于更高级的并发模型，如原子操作（Atomic Operations）和无锁数据结构（Lock-Free Data Structures），我们也会进行初步的介绍，让你了解在某些场景下，它们如何能够提供比传统锁更优的性能。 第四章：文件与 I/O——数据传输的桥梁 文件和输入/输出（I/O）是程序与外部世界交互的基石。从读取配置文件到网络通信，I/O 操作无处不在。本章将带你了解数据是如何在内存与外部设备之间流动的。 我们将讲解文件系统的基本概念，包括文件、目录、inode 等。然后，我们将深入理解不同层级的 I/O 操作，从底层的系统调用（如 `read`、`write`）到更高级的流式 I/O（如 C 语言的标准 I/O 库）。你将了解到缓冲（Buffering）的作用，以及它如何影响 I/O 的性能。 我们还会探讨阻塞 I/O（Blocking I/O）和非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）的区别，以及它们各自的应用场景。对于需要处理大量并发 I/O 请求的场景，我们将介绍事件驱动 I/O 模型（如 `select`、`poll`、`epoll`），让你理解它们是如何实现高效 I/O 多路复用的。此外，本章还将触及网络 I/O 的基础，包括套接字（Socket）的概念以及 TCP/IP 协议栈的简单模型。 第五章：系统调用与库函数——抽象与实现的鸿沟 当我们编写应用程序时，我们很少直接与操作系统内核打交道。我们依赖于系统调用和库函数来完成各种任务。本章将为你揭示这个抽象层背后的实现细节。 我们将讲解系统调用的概念，理解它们是用户空间程序与内核空间进行交互的接口。你会了解到，每一次系统调用都涉及到用户态到内核态的上下文切换，以及由此带来的开销。我们将以一些常见的系统调用为例，如 `fork`（创建进程）、`exec`（执行程序）、`open`（打开文件）等，讲解它们在内核中的大致实现流程。 同时，我们还将探讨库函数（Library Functions）与系统调用的关系。一些库函数可能只是对系统调用的简单封装，而另一些则可能包含更复杂的逻辑，甚至不直接依赖于系统调用。理解这种关系，有助于你更精准地评估代码的性能表现，并根据需求选择合适的工具。 第六章：链接与加载——让程序“活”起来 你的代码写好了，编译通过了，但它并不是一个孤立的存在。它需要被链接，需要被加载到内存中，才能最终运行。本章将为你揭示程序从静态文件到动态可执行体的转变过程。 我们将讲解静态链接（Static Linking）和动态链接（Dynamic Linking）的区别，以及它们各自的优缺点。你会了解到，目标文件（Object File）是什么，以及链接器（Linker）在其中扮演的角色。我们将深入分析可重定位（Relocation）和符号解析（Symbol Resolution）的过程。 对于动态链接，你将理解共享库（Shared Libraries）的概念，以及运行时链接器（Runtime Linker）是如何在程序运行时将共享库加载到内存中并解决符号引用的。我们还将讨论程序的加载器（Loader）的工作原理，包括它如何将可执行文件读入内存，进行必要的重定位和初始化。理解这些，将有助于你解决一些棘手的链接错误，理解库版本冲突，以及对程序启动性能有更深刻的认识。 第七章：调试的艺术——定位问题的利器 “Bug 是程序员最好的朋友”——这句话虽然听起来令人沮丧，但也道出了调试在软件开发中的核心地位。本章将为你提供系统性的调试方法和工具。 我们不再仅仅关注如何“修复”Bug，而是更侧重于如何“找到”Bug。你将学习如何有效地使用调试器（Debugger），如 GDB。我们将讲解设置断点、单步执行、查看变量、观察内存、堆栈回溯等基本操作。更重要的是，你将学习如何运用这些工具来分析程序的执行流程，定位潜在的逻辑错误。 除了调试器，我们还将介绍其他辅助调试的技术，例如日志记录（Logging）的重要性以及如何有效地设计日志信息。你还将了解到一些常见的 Bug 类型，如内存泄漏（Memory Leaks）、野指针（Dangling Pointers）、缓冲区溢出（Buffer Overflows）等，并学习如何通过观察和分析来诊断它们。 结语 《程序员的自我修养》的目的，是为你点亮通往“深刻理解”的道路。我们鼓励你带着好奇心去探索，带着批判性思维去分析。每一次对底层原理的深入理解，都将为你的编程技艺注入新的活力。 我们相信，当你能够从指令的层面去理解代码的执行，从内存的视角去审视数据的存储，从并发的本质去构建多线程的应用，从 I/O 的细节去优化数据传输，从链接加载的流程去剖析程序的诞生，从调试的技巧去洞悉错误的根源时，你将不再是一个简单的代码实现者，而成为一个真正意义上的“构建者”，一个能够驾驭复杂性，创造出卓越软件的工程师。 这趟旅程，才刚刚开始。愿你在不断学习与实践中，不断精进，成就非凡。

评分☆☆☆☆☆

这本书，我大概是抱着一种“想把Linux玩明白”的心态买的。之前也看过一些零散的技术文章，但总感觉像是碎片化的信息，抓不住重点。这本书给我的感觉就很不一样，它不是那种告诉你“怎么做”的书，而是试图告诉你“为什么这么做”。比如，读到关于进程调度的部分，作者没有停留在解释 CFS（Completely Fair Scheduler）的算法本身，而是深入剖析了它背后的设计哲学，比如如何权衡公平性和响应速度，以及在多核环境下如何进行调度。我以前总是觉得调度是个黑盒，看了这本书才知道，原来里面有这么多巧妙的设计和权衡。尤其是在讲到内存管理时，关于虚拟内存、页表、TLB（Translation Lookaside Buffer）这些概念，这本书给出了非常清晰的脉络，不是那种枯燥的定义堆砌，而是结合了实际的系统调用和内核数据结构来解释，让你能直观地理解程序是如何访问内存的，以及为什么会有TLB这样的硬件加速机制。甚至连那些我曾经觉得很神秘的内核同步机制，比如信号量、自旋锁，这本书也做了细致的梳理，从它们诞生的原因，到不同的应用场景，再到可能遇到的死锁问题，都讲得头头是道。总的来说，这本书给了我一种“拨云见日”的感觉，让我对Linux内核的理解不再停留在表面，而是能够窥见其深邃的内在逻辑。

评分☆☆☆☆☆

这是一本非常“硬核”的书，读起来需要一定的耐心和积累。它不像一些入门级的Linux书籍那样，告诉你怎么用命令，怎么配置服务，而是直击Linux内核最核心的部分。我尤其喜欢书中关于线程模型和进程调度的部分。它不仅仅是讲了创建线程和进程的 API，更重要的是揭示了内核是如何管理它们的，比如线程和进程在内核中的表示，以及调度器是如何在多个 CPU 核心上分配执行时间的。作者在解释这些概念时，经常会引用一些内核的数据结构和源码片段（虽然不是全部代码，但足以说明问题），这让我能够更直观地理解理论知识是如何映射到实际的内核实现中的。另外，关于内存管理的部分，也是这本书的亮点。它详细讲解了用户空间和内核空间如何管理内存，虚拟内存地址是如何映射到物理地址的，以及 Page Cache、Buffer Cache 这些机制在提高 I/O 性能方面起到的作用。读完这部分，我感觉自己对程序的内存使用有了更深刻的理解，也能更好地解释一些常见的内存泄漏问题。总的来说，这是一本能够让你从“使用者”升华到“理解者”的书。

评分☆☆☆☆☆

说实话，当初买这本书，是因为我的工作需要深入了解Linux底层的运行机制，尤其是那些关于性能调优和故障排查的关键点。这本书在这方面确实没有让我失望。它在讲解进程间通信（IPC）时，并没有简单地罗列管道、消息队列、共享内存等几种方式，而是详细对比了它们在效率、同步性、数据传递方式等方面的优劣，甚至还提到了内核是如何实现这些IPC机制的。这让我能够根据不同的场景，选择最适合的IPC方式，并且在出现性能瓶颈时，能够找到问题的根源。另一个让我受益匪浅的部分是关于信号处理的。我之前一直认为信号就是简单的通知机制，看了这本书才知道，原来信号的产生、传递、处理，以及在用户空间和内核空间之间的转换，都涉及到很多精细的内核逻辑。尤其是在处理信号量和中断时，书中给出的深入分析，让我对并发编程中的锁机制和竞争条件有了更深刻的认识，也让我理解了为什么在编写多线程程序时，要注意避免一些潜在的危险操作。这本书的语言风格比较直接，逻辑性很强，读起来虽然需要一定的基础，但一旦克服了初期的门槛，就会觉得豁然开朗，很多之前模糊的概念都变得清晰起来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的写作风格非常独特，可以说是“干货满满”，但又不会让人觉得枯燥乏味。它在讲解一些抽象的概念时，总是能巧妙地结合实际场景，或者通过一些形象的比喻来帮助读者理解。例如，在讲解系统调用时，它不仅仅是列举了一些常见的系统调用，更重要的是解释了用户空间和内核空间之间的切换过程，以及系统调用是如何被内核处理的。这让我明白了为什么一些操作需要内核权限，以及用户程序和内核之间的边界在哪里。另外，书中对于文件 I/O 的深入剖析，也是我非常看重的一点。它详细介绍了缓冲区 I/O、直接 I/O 等不同的 I/O 模型，以及它们在性能上的差异。我以前一直以为 I/O 就是简单的读写，看了这本书才知道，原来背后有这么多的复杂性和优化空间。书中还涉及了一些关于进程间通信（IPC）和线程同步的底层细节，这对于需要编写高性能并发程序的开发者来说，是非常宝贵的知识。这本书，就像一个经验丰富的老师傅，在循循善诱地指导你，让你能够更深入地理解Linux操作系统的运作原理。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，我首先被它那种严谨的学术风格给吸引了。这不是一本教你敲代码的小册子，而更像是一本深入的学术研究报告。它探讨的深度，在我看来，已经远远超出了很多市面上的“实战”类书籍。比如说，它在讲解中断处理机制时，不仅仅是解释了硬件中断如何触发，软件如何响应，还深入到了中断上下文和进程上下文的区别，以及为什么在中断处理过程中需要小心翼翼地避免睡眠。更让我印象深刻的是，作者在讨论文件系统时，没有止步于 ext4 或 XFS 的基本特性，而是花了很多篇幅去讲解 VFS（Virtual Filesystem Switch）的设计，以及它如何屏蔽了底层文件系统的差异，实现了统一的文件访问接口。这种对抽象层和设计模式的深入剖析，让我对Linux内核的宏观架构有了更清晰的认识。此外，书中对于网络协议栈的讲解，也远比我之前看过的要深入，从 TCP/IP 的各个层级，到内核是如何处理网络数据包的，再到一些更底层的网络调优参数，都有涉及。我发现，很多时候我们看到的各种网络问题，根源可能就隐藏在这些内核层面的细节里。这本书，确实需要你静下心来，一点一点地去消化，但一旦理解了，那种成就感是无与伦比的。