深入 Linux 內核架構與底層原理, 2/e

劉京洋
從事Linux內核相關研發十餘年，工作內容包括對內核子系統的實際產業應用。尤其擅長網絡研發與性能調優，對Linux之外的操作系統同樣興趣濃厚。目前，在騰訊前沿技術中心從事雲遊戲研發工作。

第1章操作系統總覽 1
1.1 操作系統簡介 1
1.2 如何形成一個內核 4
1.3 主要操作系統與Linux的對比 6
1.3.1 Linux和Android 6
1.3.2 Windows下Linux運行環境的發展 8
1.3.3 Fuchsia OS與Windows、Linux的對比 9

第2章系統結構 15
2.1 Linux內核整體結構 15
2.1.1 內核模塊 17
2.1.2 內核符號表 23
2.2 Linux內核數據結構 25
2.2.1 鍊錶與哈希表 25
2.2.2 雙向鍊錶 26
2.3 hlist 28
2.3.1 llist 34
2.3.2 樹與IDR 37
2.3.3 xarray 38

第3章鎖與系統調用 46
3.1 原子操作 47
3.1.1 內存一致性 51
3.1.2 原子類型定義 54
3.1.3 cmpxchg實現 56
3.2 引用計數 60
3.3 自旋鎖 65
自旋鎖的性能 77
3.4 讀寫鎖與順序鎖 79
3.5 信號量 82
3.6 讀寫信號量 86
3.6.1 獲得讀鎖 87
3.6.2 鎖狀態與鎖交接 90
3.6.3 鎖持有 92
3.6.4 等待鍊錶 94
3.6.5 讀鎖慢速路徑 99
3.7 互斥鎖 103
3.8 RCU鎖 110
3.8.1 RCU鎖基本接口 114
3.8.2 grace period等待 115
3.8.3 SRCU 117
3.8.4 RCU鎖、讀寫鎖與順序鎖對比 118
3.8.5 hlist中的RCU鎖 119
3.8.6 reuseport中的RCU鎖 121
3.9 引用計數 123
percpu-ref 124

第4章信號、中斷與系統調用 129
4.1 信號 129
4.1.1 Linux信號處理機制的設計 129
4.1.2 Windows的Event語義設計 139
4.2 中斷 141
4.2.1 IDT（中斷描述符表） 141
4.2.2 IPI中斷 148
4.3 系統調用 156
4.3.1 系統調用原理 156
4.3.2 vsyscall與VDSO 163
4.3.3 系統調用截斷 168

第5章Linux系統的啟動與進程 171
5.1 Linux啟動過程的組件 171
5.1.1 啟動過程相關組件 171
5.1.2 最小系統的製作和啟動 182
5.2 內核啟動流程：EFI stub 183
5.3 進程 199
5.3.1 進程概述 199
5.3.2 進程內存和PID 201
5.3.3 進程生命週期 205

第6章調度 220
6.1 任務調度 220
6.1.1 調度優先級 220
6.1.2 上下文切換 223
6.1.3 運行隊列與調度類 228
6.1.4 調度域、調度組與調度實體 230
6.1.5 TTWU（喚醒） 239
6.2 時鐘 244
6.2.1 時鐘概念 244
6.2.2 計時器與定時器 248
6.3 Futex系統調用 256
6.4 C-State 263

第7章內存管理 275
7.1 地址空間 275
7.1.1 64位Linux地址空間 275
7.1.2 32位Linux地址空間 276
7.2 尋址 280
7.2.1 64位下的尋址 280
7.2.2 Intel的硬件四級尋址過程 284
7.2.3 操作系統的頁狀態和權限控制 291
7.2.4 頁框回收算法 293
7.2.5 段寄存器 301
7.3 堆內存管理 306
7.3.1 用戶空間與內核空間的堆內存管理 306
7.3.2 Buddy思想與Slab思想 307
7.3.3 內存回收（PFRA） 314
7.3.4 BDI 316

第8章存儲 319
8.1 VFS 319
8.1.1 文件句柄與文件描述符表 319
8.1.2 _alloc_fd、fd_install、dup2與close_on_exec 322
8.1.3 open系統調用 325
8.1.4 flock文件鎖與文件內容鎖 328
8.2 通用塊層 339
8.2.1 通用塊層功能概覽 339
8.2.2 bio和bio_set 342
8.2.3 request和request_queue 343
8.2.4 電梯算法 345
8.3 緩存層 354
8.3.1 Linux與Windows在緩存設計上的不同 354
8.3.2 Linux下的緩存機制 355
8.4 文件系統與Ext4 362
8.4.1 Linux文件系統的特性與框架 362
8.4.2 文件系統的種類 367
8.4.3 文件系統的抽象：VFS 372
8.4.4 Ext4文件系統實踐 375
8.5 預讀機制 383
8.5.1 預讀機制框架 383
8.5.2 預讀算法 388

第9章套接字（socket） 393
9.1 socket概覽 393
9.1.1 socket類型與接口 394
9.1.2 Linux socket連接模型 397
9.1.3 Linux socket的鎖 398
9.1.4 epoll 400
9.2 Netlink 402
9.2.1 Netlink消息格式 402
9.2.2 Netlink功能模塊 406
9.2.3 genetlink的使用 408
9.2.4 inet_diag模塊 410
9.2.5 RTNETLINK 414
9.3 BPF與eBPF 418
9.3.1 BPF 419
9.3.2 eBPF 422

第10章網絡 430
10.1 網絡架構 430
10.2 IP 434
10.2.1 路由條目的意義 434
10.2.2 IP管理 437
10.2.3 IP隧道 439
10.3 TCP 446
10.3.1 TCP的無損特性 446
10.3.2 TCP的連接狀態 447
10.3.3 TCP擁塞控制 452
10.4 負載均衡 460
10.4.1 負載均衡的核心技術點 460
10.4.2 四層負載均衡常見架構 461
10.4.3 一致性哈希和分佈式哈希 463
10.5 網絡服務質量與安全性 465
10.5.1 TCP安全性 465
10.5.2 QoS 469
10.5.3 NAT 472
10.6 netfilter 475

第11章設備管理 479
11.1 設備模型 479
11.1.1 sys文件系統 479
11.1.2 設備變化通知用戶端 484
11.1.3 設備類型 485
11.2 tty子系統 491
11.2.1 tty框架與ttyS硬件 491
11.2.2 terminal硬件 493
11.2.3 tty結構 494
11.2.4 getty、login與shell 496
11.2.5 /dev/ptmx與/dev/pts/n 496
11.2.6 SSH 501
11.3 PCI與USB 502
11.3.1 PCI 502
11.3.2 USB 510

第12章二進制 516
12.1 二進制原理 516
12.1.1 編譯、鏈接與執行 516
12.1.2 裸程序 518
12.1.3 加載器 519
12.1.4 鏈接過程 523
12.2 ELF格式 525
12.2.1 ABI 525
12.2.2 ELF 529
12.3 函數調用約定 547
12.4 二進制安全 552