[按需印刷]Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計 …|63092 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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高劍林 著

圖書標籤:

• Linux內核
• 文件係統
• 設備驅動
• 架構
• 設計
• 操作係統
• 內核編程
• 按需印刷
• 技術
• 計算機科學

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齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111445852

商品編碼：23775761572

叢書名： Linux Unix技術叢書

齣版時間：2014-01-01

頁數：219

書名：	Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計[按需印刷]|63092
圖書定價：	59元
圖書作者：	高劍林
齣版社：	機械工業齣版社
齣版日期：	2014-01-01 0:00:00
ISBN號：	9787111445852
開本：	16開
頁數：	219
版次：	1-1

作者簡介

高劍林，資深Linux內核專傢、存儲係統專傢、嵌入式係統專傢。先後就職於華為、UT斯達康、賽門鐵剋等公司，從事路由器設備研發、軟件開發和存儲係統研究相關的工作10餘年，經驗非常豐富。現就職於騰訊，負責存儲係統的開發和研究。

內容簡介

《Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計》從工業需求角度齣發，注重效率和實用性，是幫助內核研發及調試、驅動開發等領域工程師正確認識並高效利用Linux內核的難得佳作！作者是騰訊公司資深的Linux內核專傢和存儲係統專傢，在該領域工作和研究的10餘年間，麵試瞭數百位Linux內核工程師，深知學習Linux內核過程中經常遇到的睏惑，以及在工作中容易犯的錯誤。基於這些原因作者撰寫瞭《Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計》。《Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計》齣發點和寫作方式可謂獨闢蹊徑，將Linux內核分為兩個維度，一是基礎部分和應用部分，二是內核架構和內核實現，將兩個維有機統一，深入分析瞭Linux內核的文件係統、設備驅動的架構設計與實現原理。 全書在邏輯上分為三部分：第一部分（第1～2章）首先將內核層劃分為基礎層和應用層，講解瞭基礎層包含的服務和數據結構，以及應用層包含的各種功能，然後對文件係統的架構進行瞭提綱挈領的介紹，為讀者學習後麵的知識打下基礎；第二部分（第3～9章）從設備到總綫到驅動，逐步深入，剖析瞭設備的總體架構、為設備服務的特殊文件係統sysfs、字符設備和input設備、platform總綫、serio總綫、PCI總綫、塊設備的實現原理和工作機製；第三部分（第10～13章）對文件係統的讀寫機製進行瞭深入分析，zui後通過一個真實文件係統ext2，復習本書所有知識點。

目錄

《Linux內核探秘：深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計》 前 言 第1章 內核的基礎層和應用層 1 1.1 內核基礎層提供的服務 1 1.1.1 內核中使用內存 2 1.1.2 內核中的任務調度 2 1.1.3 軟中斷和tasklet 3 1.1.4 工作隊列 4 1.1.5 自鏇鎖 5 1.1.6 內核信號量 5 1.1.7 原子變量 5 1.2 內核基礎層的數據結構 6 1.2.1 雙嚮鏈錶 6 1.2.2 hash鏈錶 6 1.2.3 單嚮鏈錶 7 1.2.4 紅黑樹 7 1.2.5 radix樹 7 1.3 內核應用層 8 1.4 從Linux內核源碼結構縱覽內核 9 1.5 內核學習和應用的四個階段 10 1.6 本章小結 11 第2章 文件係統 12 2.1 文件係統的基本概念 12 2.1.1 什麼是VFS 13 2.1.2 超級塊super_block 13 2.1.3 目錄項dentry 14 2.1.4 索引節點inode 15 2.1.5 文件 17 2.2 文件係統的架構 17 2.2.1 超級塊作用分析 17 2.2.2 dentry作用分析 18 2.2.3 inode作用分析 20 2.2.4 文件作用分析 21 2.3 從代碼層次深入分析文件係統 21 2.3.1 一個zui簡單的文件係統aufs 22 2.3.2 文件係統如何管理目錄和文件 26 2.3.3 文件係統的掛載過程 38 2.3.4 文件打開的代碼分析 42 2.4 本章小結 59 第3章 設備的概念和總體架構 60 3.1 設備的配置錶 60 3.2 訪問設備寄存器和設備內存 61 3.3 設備中斷和DMA 61 3.4 總綫對設備的掃描 62 3.5 設備驅動管理 62 3.6 本章小結 62 第4章 為設備服務的特殊文件係統sysfs 63 4.1 文件和目錄的創建 63 4.1.1 sysfs文件係統的初始化 64 4.1.2 sysfs文件係統目錄的創建 64 4.1.3 普通文件的創建 68 4.2 sysfs文件的打開操作 69 4.2.1 real_lookup函數詳解 70 4.2.2 為文件創建inode結構 70 4.2.3 為dentry結構綁定屬性 71 4.2.4 調用文件係統中的open函數 72 4.3 sysfs文件的讀寫 74 4.3.1 讀文件的過程分析 74 4.3.2 寫文件的過程分析 75 4.4 kobject結構 76 4.4.1 kobject和kset的關係 76 4.4.2 kobject實例：總綫的注冊 77 4.5 本章小結 79 第5章 字符設備和input設備 80 5.1 文件如何變成設備 80 5.1.1 init_special_inode函數 80 5.1.2 def_chr_fops結構 81 5.2 input設備的注冊 82 5.2.1 主從設備號 83 5.2.2 把input設備注冊到係統 84 5.2.3 設備區間的登記 85 5.2.4 注冊字符設備 86 5.2.5 打開input設備 87 5.3 input設備架構 88 5.3.1 注冊input設備的驅動 88 5.3.2 匹配input管理的設備和驅動 89 5.3.3 注冊input設備 90 5.4 本章小結 92 第6章 platform總綫 93 6.1 從驅動發現設備的過程 93 6.1.1 驅動的初始化 93 6.1.2 注冊驅動 94 6.1.3 為總綫增加一個驅動 95 6.1.4 驅動加載 95 6.1.5 遍曆總綫上已經掛載的設備 96 6.2 從設備找到驅動的過程 98 6.2.1 注冊設備和總綫類型 98 6.2.2 注冊設備的資源 99 6.2.3 增加一個設備對象 100 6.3 本章小結 102 第7章 serio總綫 103 7.1 什麼是總綫適配器 103 7.2 嚮serio總綫注冊設備 103 7.2.1 注冊端口登記事件 104 7.2.2 遍曆總綫的驅動 106 7.2.3 注冊input設備 109 7.3 虛擬鍵盤驅動 110 7.3.1 鍵盤驅動的初始化 110 7.3.2 與設備建立連接 111 7.3.3 啓動鍵盤設備 111 7.3.4 輸入設備和主機係統之間的事件 112 7.4 鍵盤中斷 112 7.4.1 q40kbd設備的中斷處理 113 7.4.2 serio總綫的中斷處理 113 7.4.3 驅動提供的中斷處理 113 7.5 本章小結 116 第8章 PCI總綫 117 8.1 深入理解PCI總綫 117 8.1.1 PCI設備工作原理 117 8.1.2 PCI總綫域 118 8.1.3 PCI資源管理 118 8.1.4 PCI配置空間讀取和設置 119 8.2 PCI設備掃描過程 120 8.2.1 掃描0號總綫 120 8.2.2 掃描總綫上的PCI設備 121 8.2.3 掃描多功能設備 124 8.2.4 掃描單個設備 125 8.2.5 掃描設備信息 125 8.3 本章小結 128 第9章 塊設備 129 9.1 塊設備的架構 129 9.1.1 塊設備、磁盤對象和隊列 129 9.1.2 塊設備和通用磁盤對象的綁定 130 9.1.3 塊設備的隊列和隊列處理函數 131 9.2 塊設備創建的過程分析 132 9.2.1 nbd驅動的初始化 132 9.2.2 為通用磁盤對象創建隊列成員 133 9.2.3 將通用磁盤對象加入係統 134 9.3 塊設備文件係統 135 9.3.1 塊設備文件係統的初始化 135 9.3.2 塊設備文件係統的設計思路 136 9.4 塊設備的打開流程 136 9.4.1 獲取塊設備對象 137 9.4.2 執行塊設備的打開流程 140 9.5 本章小結 142 第10章 文件係統讀寫 143 10.1 page cache機製 143 10.1.1 buffer I/O和direct I/O 143 10.1.2 buffer head和塊緩存 143 10.1.3 page cache的管理 144 10.1.4 page cache的狀態 145 10.2 文件預讀 146 10.3 文件鎖 146 10.4 文件讀過程代碼分析 147 10.5 讀過程返迴 161 10.6 文件寫過程代碼分析 162 10.7 本章小結 169 第11章 通用塊層和scsi層 170 11.1 塊設備隊列 170 11.1.1 scsi塊設備隊列處理函數 170 11.1.2 電梯算法和對象 171 11.2 硬盤HBA抽象層 172 11.3 I/O的順序控製 173 11.4 I/O調度算法 173 11.4.1 noop調度算法 173 11.4.2 deadline調度算法 174 11.5 I/O的處理過程 178 11.5.1 I/O插入隊列的過程分析 178 11.5.2 I/O齣隊列的過程分析 186 11.5.3 I/O返迴路徑 194 11.6 本章小結 203 第12章 內核迴寫機製 204 12.1 內核的觸發條件 204 12.2 內核迴寫控製參數 204 12.3 定時器觸發迴寫 205 12.3.1 啓動定時器 205 12.3.2 執行迴寫操作 207 12.3.3 檢查需要迴寫的頁麵 208 12.3.4 迴寫超級塊內的inode 209 12.4 平衡寫 213 12.4.1 檢查直接迴寫的條件 214 12.4.2 迴寫係統髒頁麵的條件 215 12.4.3 檢查計算機模式 216 12.5 本章小結 216 第13章 一個真實文件係統ext2 217 13.1 ext2的硬盤布局 217 13.2 ext2文件係統目錄樹 218 13.3 ext2文件內容管理 219 13.4 ext2文件係統讀寫 219 13.5 本章小結 219

《深入理解Linux係統：精通進程管理、內存調度與網絡通信》 內容簡介： 本書旨在為廣大Linux係統開發者、係統管理員以及對操作係統底層原理感興趣的技術愛好者提供一本詳實而深入的學習指南。我們拋開錶麵概念，直抵Linux內核的核心，從進程管理、內存調度到網絡通信，層層剝繭，揭示其精妙的設計哲學和高效的實現機製。本書並非簡單羅列API或命令，而是著重於“為什麼”和“如何”，幫助讀者構建起對Linux係統運作的全麵而深刻的理解。 第一部分：進程的生命周期與調度機製 在Linux係統中，進程是程序運行的基本單位。本書將從進程的創建、終止、狀態轉換以及它們如何在CPU上分配執行時間展開深入探討。 進程的創建與管理： 我們將詳細剖析 `fork()`、`exec()` 和 `wait()` 等係統調用的工作原理，理解父子進程間的關係，以及信號如何被用來實現進程間的通信和控製。讀者將瞭解進程ID (PID)、進程組ID (PGID)、會話ID (SID) 等概念，以及它們在多任務環境中的作用。 進程狀態詳解： 深入分析進程的五種狀態（運行、就緒、等待、停止、僵屍）及其轉換條件。理解進程是如何從一個狀態遷移到另一個狀態的，以及在不同狀態下，進程在內存中的錶現和資源占用情況。 Linux調度器： 這是本書的重頭戲之一。我們將詳細介紹Linux內核中各種調度策略的演進，從早期的 O(1) 調度器到 CFS (Completely Fair Scheduler) 調度器。讀者將理解CFS如何通過“虛擬運行時間”的概念，為每個進程提供公平的CPU時間片，從而實現高性能和低延遲。我們將深入分析調度算法的實現細節，包括調度器的入口點、進程的喚醒與睡眠、時間片輪轉、優先級與權重的計算等。通過理解調度器的工作原理，讀者可以更有效地優化應用程序的性能，避免CPU飢餓或資源浪費。 多核環境下的調度： 隨著多核處理器的普及，進程調度在多核環境下麵臨新的挑戰。本書將探討CPU親和性、負載均衡以及SMP (Symmetric Multiprocessing) 調度等概念，解釋Linux內核如何有效地在多個CPU核心上分配和管理進程，以最大化係統吞吐量。 第二部分：內存管理與虛擬地址空間 內存是程序運行的基石。本書將帶領讀者深入Linux的內存管理體係，理解虛擬內存的強大威力以及內存分配和迴收的精妙之處。 虛擬內存模型： 詳細講解Linux如何實現虛擬內存，包括頁錶、TLB (Translation Lookaside Buffer) 等硬件輔助機製。讀者將理解為什麼虛擬內存能夠允許進程擁有比物理內存更大的地址空間，以及如何保護進程間的內存獨立性。 內存分配機製： 深入剖析Linux內核中的內存分配器，例如 slab 分配器、夥伴係統 (Buddy System) 等。理解這些分配器如何高效地為內核對象和用戶空間分配和釋放內存，以及它們在減少內存碎片、提高訪問速度方麵的作用。 頁麵替換算法： 當物理內存不足時，Linux內核需要將部分不活躍的頁麵換齣到磁盤（交換分區）。本書將詳細介紹Linux所使用的頁麵替換算法，例如 LRU (Least Recently Used) 的變種，以及它們如何權衡內存訪問效率和性能。 內存映射 (mmap)： 深入講解 `mmap()` 係統調用的原理，理解它如何將文件或設備映射到進程的地址空間，以及它在高效文件 I/O 和進程間共享內存中的作用。 內存迴收與垃圾收集： 探討Linux內核的內存迴收機製，包括匿名頁麵迴收、文件緩存迴收等，以及它們如何協同工作，確保係統有足夠的可用內存。 第三部分：網絡通信的底層實現 網絡通信是現代操作係統不可或缺的一部分。本書將深入Linux網絡棧的內部，揭示TCP/IP協議棧的實現細節，以及Socket API背後的原理。 TCP/IP協議棧架構： 詳細解析Linux內核中TCP/IP協議棧的層次化設計，從網絡接口層、IP層、TCP/UDP層，到Socket層。理解數據包是如何在各個層之間傳遞、處理和封裝的。 Socket API深入： 詳細講解Socket API的各個組成部分，包括Socket的創建、綁定、監聽、連接、讀寫以及關閉等關鍵操作。理解阻塞與非阻塞模式、同步與異步I/O的區彆，以及它們在網絡編程中的應用。 TCP連接的建立與終止： 深入剖析TCP的三次握手和四次揮手過程，理解TCP連接是如何建立和可靠關閉的，以及各種標誌位（SYN, ACK, FIN）的作用。 擁塞控製與流量控製： 探討TCP的擁塞控製算法（如CUBIC）和流量控製機製，理解它們如何防止網絡擁塞，確保數據傳輸的穩定性和效率。 高性能網絡 I/O： 介紹Linux內核為提升網絡I/O性能所提供的各種機製，如零拷貝 (zero-copy)、sendfile()、epoll() 等，並解釋它們是如何減少數據復製和上下文切換，從而大幅提升網絡應用的吞吐量和響應速度。 網絡協議的實現細節： 深入研究UDP協議的工作方式，以及ARP、ICMP等常用網絡協議在Linux內核中的實現。 本書的特色： 理論與實踐並重： 本書不僅深入講解內核的理論原理，更結閤實際應用場景，通過代碼示例和邏輯分析，幫助讀者將理論知識轉化為實踐技能。 深入剖析內核源碼： 雖然不直接貼齣完整的內核源碼，但本書將引導讀者理解關鍵的內核數據結構和函數調用流程，為進一步閱讀內核源碼打下堅實基礎。 邏輯嚴謹，條理清晰： 內容組織結構清晰，從宏觀到微觀，層層遞進，確保讀者能夠逐步建立起對Linux係統的全麵認知。 麵嚮廣闊的技術人群： 無論您是初涉Linux開發的工程師，還是經驗豐富的係統架構師，亦或是對操作係統原理充滿好奇的學生，都能從本書中獲益。 通過閱讀本書，您將不再滿足於僅僅“使用”Linux，而是能夠真正“理解”Linux。您將能夠診斷性能問題，優化係統配置，設計齣更加健壯和高效的應用程序。本書將是您通往Linux係統專傢之路的得力助手。

評分☆☆☆☆☆

作為一名嵌入式係統開發者，我經常需要在資源受限的環境下編寫和優化驅動程序，並與各種外設進行交互。Linux 內核在這方麵扮演著至關重要的角色。這本書的“文件係統”和“設備驅動”的側重點，正是我目前非常需要的。我希望書中能夠深入探討在嵌入式場景下，文件係統的選擇和優化策略，例如針對閃存設備的特殊文件係統（如JFFS2、UBIFS）的設計考量，以及如何通過調整文件係統參數來提升性能和延長設備壽命。在設備驅動方麵，我更關注如何在嵌入式Linux係統中實現高效、可靠的驅動。這包括對各種總綫（如I2C、SPI）的驅動開發，中斷處理機製的深入理解，以及如何利用內核提供的框架（如Linux Device Model）來管理設備。我還希望書中能提供關於功耗管理和實時性方麵的討論，這對於許多嵌入式應用至關重要。這本書的齣現，讓我看到瞭提升我嵌入式開發技能的希望，我希望能從中獲得寶貴的實踐經驗和設計思路。

評分☆☆☆☆☆

作為一名 Linux 係統管理員，我時常需要麵對各種性能問題和故障排查，而很多時候，問題的根源都指嚮瞭文件係統和設備驅動層麵。市麵上關於 Linux 的書籍不少，但真正能夠深入到內核設計層麵，係統性地講解文件係統和設備驅動架構的卻不多。這本書的齣現，恰好填補瞭這一空白。我尤其關注的是它在“架構與設計”上的解讀。我希望它不僅僅是羅列 API 或代碼片段，而是能夠剖析這些組件背後的設計哲學和演進過程。例如，文件係統是如何平衡性能、可靠性和易用性的？設備驅動的設計又遵循瞭哪些通用原則，以保證其靈活性和可維護性？我對書中關於內存管理、I/O 調度以及緩存機製與文件係統之間的關係非常感興趣，這直接關係到係統的整體性能。同時，瞭解設備驅動的模塊化設計、錯誤處理機製以及與內核其他部分的交互方式，對於寫齣健壯、高效的驅動程序至關重要。我期待這本書能夠提供清晰的圖示和案例分析，幫助我理解抽象的概念，並能將學到的知識應用到實際工作中，提升我解決復雜問題的能力。

評分☆☆☆☆☆

長期以來，我一直對操作係統內核的精妙設計著迷，尤其是 Linux 內核，其開放性和靈活性吸引瞭無數開發者。這本書關注的文件係統和設備驅動，無疑是 Linux 內核中最核心、最實用的兩大模塊。我非常期待它能夠提供一種“由錶及裏”的講解方式，不僅講解“是什麼”，更要深入剖析“為什麼”和“怎麼做”。例如，文件係統是如何通過精心設計的數據結構和算法，實現高效的文件查找、讀寫和存儲管理？設備驅動又是如何遵循一套統一的接口和規範，與硬件緊密協作，同時又能保持對上層應用的透明性？我希望書中能夠涵蓋一些現代文件係統的最新進展，以及一些具有代錶性的設備驅動的設計模式。對並發控製、同步機製以及內核中的安全考量在這些模塊中的應用，也是我非常感興趣的部分。這本書對我而言，不僅僅是學習知識，更是一種對 Linux 內核精巧設計的膜拜，我期待它能帶給我深刻的啓發和豁然開朗的體驗。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計實在太吸引人瞭，一種沉靜而專業的藍，配上醒目的標題，瞬間就抓住瞭我的眼球。我一直對Linux係統底層原理充滿好奇，尤其是在工作中經常會接觸到各種文件操作和設備交互，但總感覺隔著一層紗，不夠通透。這本書的副標題——“深入解析文件係統和設備驅動的架構與設計”，直接點齣瞭我最想瞭解的核心。我期待它能像一位經驗豐富的嚮導，帶我穿梭在Linux內核錯綜復雜的代碼迷宮中，揭開文件係統從創建、訪問到管理的每一個環節，以及設備驅動如何與硬件“對話”的奧秘。我希望書中能夠詳細闡述常見的Linux文件係統（如ext4、XFS、Btrfs等）的設計理念、內部結構和性能優化策略，瞭解它們在不同場景下的適用性。同時，對於設備驅動部分，我更希望能看到從基礎框架到具體實現的全景圖，比如PCI、USB、網絡設備的驅動開發流程，以及相關的內核API和數據結構。這本書的齣現，無疑為我這樣的技術愛好者提供瞭一個絕佳的學習機會，我迫不及待地想翻開它，開始我的內核探索之旅。

評分☆☆☆☆☆

我是一名在校的計算機科學專業的學生，正在攻讀操作係統相關的課程，我對 Linux 內核的世界充滿瞭嚮往，但常常因為其龐大和復雜而感到無從下手。這次看到這本書，我最大的期待就是它能夠提供一個清晰的學習路徑，讓我能夠循序漸進地掌握 Linux 內核在文件係統和設備驅動方麵的知識。我希望書中能夠從最基礎的概念講起，比如文件係統的前世今生，以及不同類型設備的基本原理，然後逐步深入到內核源碼層麵，解釋數據結構、關鍵函數和調用流程。對於文件係統，我希望瞭解 VFS（虛擬文件係統）的抽象層是如何工作的，以及它如何屏蔽不同文件係統的差異。對於設備驅動，我希望理解其生命周期管理，如何加載、卸載，以及如何與內核的硬件抽象層進行交互。書中是否有對一些經典或常用的設備驅動（例如串口、網卡）的詳細分析？這些具體的例子將極大地幫助我理解抽象的理論。我希望這本書能夠成為我的“內核入門指南”，為我打下堅實的底層基礎，為我未來的學習和職業發展奠定良好的開端。