[按需印刷]Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计 …|63092 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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高剑林 著

图书标签:

• Linux内核
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• 设备驱动
• 架构
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• 操作系统
• 内核编程
• 按需印刷
• 技术
• 计算机科学

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111445852

商品编码：23775761572

丛书名： Linux Unix技术丛书

出版时间：2014-01-01

页数：219

书名：	Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计[按需印刷]|63092
图书定价：	59元
图书作者：	高剑林
出版社：	机械工业出版社
出版日期：	2014-01-01 0:00:00
ISBN号：	9787111445852
开本：	16开
页数：	219
版次：	1-1

作者简介

高剑林，资深Linux内核专家、存储系统专家、嵌入式系统专家。先后就职于华为、UT斯达康、赛门铁克等公司，从事路由器设备研发、软件开发和存储系统研究相关的工作10余年，经验非常丰富。现就职于腾讯，负责存储系统的开发和研究。

内容简介

《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》从工业需求角度出发，注重效率和实用性，是帮助内核研发及调试、驱动开发等领域工程师正确认识并高效利用Linux内核的难得佳作！作者是腾讯公司资深的Linux内核专家和存储系统专家，在该领域工作和研究的10余年间，面试了数百位Linux内核工程师，深知学习Linux内核过程中经常遇到的困惑，以及在工作中容易犯的错误。基于这些原因作者撰写了《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》。《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》出发点和写作方式可谓独辟蹊径，将Linux内核分为两个维度，一是基础部分和应用部分，二是内核架构和内核实现，将两个维有机统一，深入分析了Linux内核的文件系统、设备驱动的架构设计与实现原理。 全书在逻辑上分为三部分：第一部分（第1～2章）首先将内核层划分为基础层和应用层，讲解了基础层包含的服务和数据结构，以及应用层包含的各种功能，然后对文件系统的架构进行了提纲挈领的介绍，为读者学习后面的知识打下基础；第二部分（第3～9章）从设备到总线到驱动，逐步深入，剖析了设备的总体架构、为设备服务的特殊文件系统sysfs、字符设备和input设备、platform总线、serio总线、PCI总线、块设备的实现原理和工作机制；第三部分（第10～13章）对文件系统的读写机制进行了深入分析，zui后通过一个真实文件系统ext2，复习本书所有知识点。

目录

《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》 前 言 第1章 内核的基础层和应用层 1 1.1 内核基础层提供的服务 1 1.1.1 内核中使用内存 2 1.1.2 内核中的任务调度 2 1.1.3 软中断和tasklet 3 1.1.4 工作队列 4 1.1.5 自旋锁 5 1.1.6 内核信号量 5 1.1.7 原子变量 5 1.2 内核基础层的数据结构 6 1.2.1 双向链表 6 1.2.2 hash链表 6 1.2.3 单向链表 7 1.2.4 红黑树 7 1.2.5 radix树 7 1.3 内核应用层 8 1.4 从Linux内核源码结构纵览内核 9 1.5 内核学习和应用的四个阶段 10 1.6 本章小结 11 第2章 文件系统 12 2.1 文件系统的基本概念 12 2.1.1 什么是VFS 13 2.1.2 超级块super_block 13 2.1.3 目录项dentry 14 2.1.4 索引节点inode 15 2.1.5 文件 17 2.2 文件系统的架构 17 2.2.1 超级块作用分析 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 从代码层次深入分析文件系统 21 2.3.1 一个zui简单的文件系统aufs 22 2.3.2 文件系统如何管理目录和文件 26 2.3.3 文件系统的挂载过程 38 2.3.4 文件打开的代码分析 42 2.4 本章小结 59 第3章 设备的概念和总体架构 60 3.1 设备的配置表 60 3.2 访问设备寄存器和设备内存 61 3.3 设备中断和DMA 61 3.4 总线对设备的扫描 62 3.5 设备驱动管理 62 3.6 本章小结 62 第4章 为设备服务的特殊文件系统sysfs 63 4.1 文件和目录的创建 63 4.1.1 sysfs文件系统的初始化 64 4.1.2 sysfs文件系统目录的创建 64 4.1.3 普通文件的创建 68 4.2 sysfs文件的打开操作 69 4.2.1 real_lookup函数详解 70 4.2.2 为文件创建inode结构 70 4.2.3 为dentry结构绑定属性 71 4.2.4 调用文件系统中的open函数 72 4.3 sysfs文件的读写 74 4.3.1 读文件的过程分析 74 4.3.2 写文件的过程分析 75 4.4 kobject结构 76 4.4.1 kobject和kset的关系 76 4.4.2 kobject实例：总线的注册 77 4.5 本章小结 79 第5章 字符设备和input设备 80 5.1 文件如何变成设备 80 5.1.1 init_special_inode函数 80 5.1.2 def_chr_fops结构 81 5.2 input设备的注册 82 5.2.1 主从设备号 83 5.2.2 把input设备注册到系统 84 5.2.3 设备区间的登记 85 5.2.4 注册字符设备 86 5.2.5 打开input设备 87 5.3 input设备架构 88 5.3.1 注册input设备的驱动 88 5.3.2 匹配input管理的设备和驱动 89 5.3.3 注册input设备 90 5.4 本章小结 92 第6章 platform总线 93 6.1 从驱动发现设备的过程 93 6.1.1 驱动的初始化 93 6.1.2 注册驱动 94 6.1.3 为总线增加一个驱动 95 6.1.4 驱动加载 95 6.1.5 遍历总线上已经挂载的设备 96 6.2 从设备找到驱动的过程 98 6.2.1 注册设备和总线类型 98 6.2.2 注册设备的资源 99 6.2.3 增加一个设备对象 100 6.3 本章小结 102 第7章 serio总线 103 7.1 什么是总线适配器 103 7.2 向serio总线注册设备 103 7.2.1 注册端口登记事件 104 7.2.2 遍历总线的驱动 106 7.2.3 注册input设备 109 7.3 虚拟键盘驱动 110 7.3.1 键盘驱动的初始化 110 7.3.2 与设备建立连接 111 7.3.3 启动键盘设备 111 7.3.4 输入设备和主机系统之间的事件 112 7.4 键盘中断 112 7.4.1 q40kbd设备的中断处理 113 7.4.2 serio总线的中断处理 113 7.4.3 驱动提供的中断处理 113 7.5 本章小结 116 第8章 PCI总线 117 8.1 深入理解PCI总线 117 8.1.1 PCI设备工作原理 117 8.1.2 PCI总线域 118 8.1.3 PCI资源管理 118 8.1.4 PCI配置空间读取和设置 119 8.2 PCI设备扫描过程 120 8.2.1 扫描0号总线 120 8.2.2 扫描总线上的PCI设备 121 8.2.3 扫描多功能设备 124 8.2.4 扫描单个设备 125 8.2.5 扫描设备信息 125 8.3 本章小结 128 第9章 块设备 129 9.1 块设备的架构 129 9.1.1 块设备、磁盘对象和队列 129 9.1.2 块设备和通用磁盘对象的绑定 130 9.1.3 块设备的队列和队列处理函数 131 9.2 块设备创建的过程分析 132 9.2.1 nbd驱动的初始化 132 9.2.2 为通用磁盘对象创建队列成员 133 9.2.3 将通用磁盘对象加入系统 134 9.3 块设备文件系统 135 9.3.1 块设备文件系统的初始化 135 9.3.2 块设备文件系统的设计思路 136 9.4 块设备的打开流程 136 9.4.1 获取块设备对象 137 9.4.2 执行块设备的打开流程 140 9.5 本章小结 142 第10章 文件系统读写 143 10.1 page cache机制 143 10.1.1 buffer I/O和direct I/O 143 10.1.2 buffer head和块缓存 143 10.1.3 page cache的管理 144 10.1.4 page cache的状态 145 10.2 文件预读 146 10.3 文件锁 146 10.4 文件读过程代码分析 147 10.5 读过程返回 161 10.6 文件写过程代码分析 162 10.7 本章小结 169 第11章 通用块层和scsi层 170 11.1 块设备队列 170 11.1.1 scsi块设备队列处理函数 170 11.1.2 电梯算法和对象 171 11.2 硬盘HBA抽象层 172 11.3 I/O的顺序控制 173 11.4 I/O调度算法 173 11.4.1 noop调度算法 173 11.4.2 deadline调度算法 174 11.5 I/O的处理过程 178 11.5.1 I/O插入队列的过程分析 178 11.5.2 I/O出队列的过程分析 186 11.5.3 I/O返回路径 194 11.6 本章小结 203 第12章 内核回写机制 204 12.1 内核的触发条件 204 12.2 内核回写控制参数 204 12.3 定时器触发回写 205 12.3.1 启动定时器 205 12.3.2 执行回写操作 207 12.3.3 检查需要回写的页面 208 12.3.4 回写超级块内的inode 209 12.4 平衡写 213 12.4.1 检查直接回写的条件 214 12.4.2 回写系统脏页面的条件 215 12.4.3 检查计算机模式 216 12.5 本章小结 216 第13章 一个真实文件系统ext2 217 13.1 ext2的硬盘布局 217 13.2 ext2文件系统目录树 218 13.3 ext2文件内容管理 219 13.4 ext2文件系统读写 219 13.5 本章小结 219

《深入理解Linux系统：精通进程管理、内存调度与网络通信》 内容简介： 本书旨在为广大Linux系统开发者、系统管理员以及对操作系统底层原理感兴趣的技术爱好者提供一本详实而深入的学习指南。我们抛开表面概念，直抵Linux内核的核心，从进程管理、内存调度到网络通信，层层剥茧，揭示其精妙的设计哲学和高效的实现机制。本书并非简单罗列API或命令，而是着重于“为什么”和“如何”，帮助读者构建起对Linux系统运作的全面而深刻的理解。 第一部分：进程的生命周期与调度机制 在Linux系统中，进程是程序运行的基本单位。本书将从进程的创建、终止、状态转换以及它们如何在CPU上分配执行时间展开深入探讨。 进程的创建与管理： 我们将详细剖析 `fork()`、`exec()` 和 `wait()` 等系统调用的工作原理，理解父子进程间的关系，以及信号如何被用来实现进程间的通信和控制。读者将了解进程ID (PID)、进程组ID (PGID)、会话ID (SID) 等概念，以及它们在多任务环境中的作用。 进程状态详解： 深入分析进程的五种状态（运行、就绪、等待、停止、僵尸）及其转换条件。理解进程是如何从一个状态迁移到另一个状态的，以及在不同状态下，进程在内存中的表现和资源占用情况。 Linux调度器： 这是本书的重头戏之一。我们将详细介绍Linux内核中各种调度策略的演进，从早期的 O(1) 调度器到 CFS (Completely Fair Scheduler) 调度器。读者将理解CFS如何通过“虚拟运行时间”的概念，为每个进程提供公平的CPU时间片，从而实现高性能和低延迟。我们将深入分析调度算法的实现细节，包括调度器的入口点、进程的唤醒与睡眠、时间片轮转、优先级与权重的计算等。通过理解调度器的工作原理，读者可以更有效地优化应用程序的性能，避免CPU饥饿或资源浪费。 多核环境下的调度： 随着多核处理器的普及，进程调度在多核环境下面临新的挑战。本书将探讨CPU亲和性、负载均衡以及SMP (Symmetric Multiprocessing) 调度等概念，解释Linux内核如何有效地在多个CPU核心上分配和管理进程，以最大化系统吞吐量。 第二部分：内存管理与虚拟地址空间 内存是程序运行的基石。本书将带领读者深入Linux的内存管理体系，理解虚拟内存的强大威力以及内存分配和回收的精妙之处。 虚拟内存模型： 详细讲解Linux如何实现虚拟内存，包括页表、TLB (Translation Lookaside Buffer) 等硬件辅助机制。读者将理解为什么虚拟内存能够允许进程拥有比物理内存更大的地址空间，以及如何保护进程间的内存独立性。 内存分配机制： 深入剖析Linux内核中的内存分配器，例如 slab 分配器、伙伴系统 (Buddy System) 等。理解这些分配器如何高效地为内核对象和用户空间分配和释放内存，以及它们在减少内存碎片、提高访问速度方面的作用。 页面替换算法： 当物理内存不足时，Linux内核需要将部分不活跃的页面换出到磁盘（交换分区）。本书将详细介绍Linux所使用的页面替换算法，例如 LRU (Least Recently Used) 的变种，以及它们如何权衡内存访问效率和性能。 内存映射 (mmap)： 深入讲解 `mmap()` 系统调用的原理，理解它如何将文件或设备映射到进程的地址空间，以及它在高效文件 I/O 和进程间共享内存中的作用。 内存回收与垃圾收集： 探讨Linux内核的内存回收机制，包括匿名页面回收、文件缓存回收等，以及它们如何协同工作，确保系统有足够的可用内存。 第三部分：网络通信的底层实现 网络通信是现代操作系统不可或缺的一部分。本书将深入Linux网络栈的内部，揭示TCP/IP协议栈的实现细节，以及Socket API背后的原理。 TCP/IP协议栈架构： 详细解析Linux内核中TCP/IP协议栈的层次化设计，从网络接口层、IP层、TCP/UDP层，到Socket层。理解数据包是如何在各个层之间传递、处理和封装的。 Socket API深入： 详细讲解Socket API的各个组成部分，包括Socket的创建、绑定、监听、连接、读写以及关闭等关键操作。理解阻塞与非阻塞模式、同步与异步I/O的区别，以及它们在网络编程中的应用。 TCP连接的建立与终止： 深入剖析TCP的三次握手和四次挥手过程，理解TCP连接是如何建立和可靠关闭的，以及各种标志位（SYN, ACK, FIN）的作用。 拥塞控制与流量控制： 探讨TCP的拥塞控制算法（如CUBIC）和流量控制机制，理解它们如何防止网络拥塞，确保数据传输的稳定性和效率。 高性能网络 I/O： 介绍Linux内核为提升网络I/O性能所提供的各种机制，如零拷贝 (zero-copy)、sendfile()、epoll() 等，并解释它们是如何减少数据复制和上下文切换，从而大幅提升网络应用的吞吐量和响应速度。 网络协议的实现细节： 深入研究UDP协议的工作方式，以及ARP、ICMP等常用网络协议在Linux内核中的实现。 本书的特色： 理论与实践并重： 本书不仅深入讲解内核的理论原理，更结合实际应用场景，通过代码示例和逻辑分析，帮助读者将理论知识转化为实践技能。 深入剖析内核源码： 虽然不直接贴出完整的内核源码，但本书将引导读者理解关键的内核数据结构和函数调用流程，为进一步阅读内核源码打下坚实基础。 逻辑严谨，条理清晰： 内容组织结构清晰，从宏观到微观，层层递进，确保读者能够逐步建立起对Linux系统的全面认知。 面向广阔的技术人群： 无论您是初涉Linux开发的工程师，还是经验丰富的系统架构师，亦或是对操作系统原理充满好奇的学生，都能从本书中获益。 通过阅读本书，您将不再满足于仅仅“使用”Linux，而是能够真正“理解”Linux。您将能够诊断性能问题，优化系统配置，设计出更加健壮和高效的应用程序。本书将是您通往Linux系统专家之路的得力助手。

评分☆☆☆☆☆

作为一名 Linux 系统管理员，我时常需要面对各种性能问题和故障排查，而很多时候，问题的根源都指向了文件系统和设备驱动层面。市面上关于 Linux 的书籍不少，但真正能够深入到内核设计层面，系统性地讲解文件系统和设备驱动架构的却不多。这本书的出现，恰好填补了这一空白。我尤其关注的是它在“架构与设计”上的解读。我希望它不仅仅是罗列 API 或代码片段，而是能够剖析这些组件背后的设计哲学和演进过程。例如，文件系统是如何平衡性能、可靠性和易用性的？设备驱动的设计又遵循了哪些通用原则，以保证其灵活性和可维护性？我对书中关于内存管理、I/O 调度以及缓存机制与文件系统之间的关系非常感兴趣，这直接关系到系统的整体性能。同时，了解设备驱动的模块化设计、错误处理机制以及与内核其他部分的交互方式，对于写出健壮、高效的驱动程序至关重要。我期待这本书能够提供清晰的图示和案例分析，帮助我理解抽象的概念，并能将学到的知识应用到实际工作中，提升我解决复杂问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

长期以来，我一直对操作系统内核的精妙设计着迷，尤其是 Linux 内核，其开放性和灵活性吸引了无数开发者。这本书关注的文件系统和设备驱动，无疑是 Linux 内核中最核心、最实用的两大模块。我非常期待它能够提供一种“由表及里”的讲解方式，不仅讲解“是什么”，更要深入剖析“为什么”和“怎么做”。例如，文件系统是如何通过精心设计的数据结构和算法，实现高效的文件查找、读写和存储管理？设备驱动又是如何遵循一套统一的接口和规范，与硬件紧密协作，同时又能保持对上层应用的透明性？我希望书中能够涵盖一些现代文件系统的最新进展，以及一些具有代表性的设备驱动的设计模式。对并发控制、同步机制以及内核中的安全考量在这些模块中的应用，也是我非常感兴趣的部分。这本书对我而言，不仅仅是学习知识，更是一种对 Linux 内核精巧设计的膜拜，我期待它能带给我深刻的启发和豁然开朗的体验。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计实在太吸引人了，一种沉静而专业的蓝，配上醒目的标题，瞬间就抓住了我的眼球。我一直对Linux系统底层原理充满好奇，尤其是在工作中经常会接触到各种文件操作和设备交互，但总感觉隔着一层纱，不够通透。这本书的副标题——“深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计”，直接点出了我最想了解的核心。我期待它能像一位经验丰富的向导，带我穿梭在Linux内核错综复杂的代码迷宫中，揭开文件系统从创建、访问到管理的每一个环节，以及设备驱动如何与硬件“对话”的奥秘。我希望书中能够详细阐述常见的Linux文件系统（如ext4、XFS、Btrfs等）的设计理念、内部结构和性能优化策略，了解它们在不同场景下的适用性。同时，对于设备驱动部分，我更希望能看到从基础框架到具体实现的全景图，比如PCI、USB、网络设备的驱动开发流程，以及相关的内核API和数据结构。这本书的出现，无疑为我这样的技术爱好者提供了一个绝佳的学习机会，我迫不及待地想翻开它，开始我的内核探索之旅。

评分☆☆☆☆☆

作为一名嵌入式系统开发者，我经常需要在资源受限的环境下编写和优化驱动程序，并与各种外设进行交互。Linux 内核在这方面扮演着至关重要的角色。这本书的“文件系统”和“设备驱动”的侧重点，正是我目前非常需要的。我希望书中能够深入探讨在嵌入式场景下，文件系统的选择和优化策略，例如针对闪存设备的特殊文件系统（如JFFS2、UBIFS）的设计考量，以及如何通过调整文件系统参数来提升性能和延长设备寿命。在设备驱动方面，我更关注如何在嵌入式Linux系统中实现高效、可靠的驱动。这包括对各种总线（如I2C、SPI）的驱动开发，中断处理机制的深入理解，以及如何利用内核提供的框架（如Linux Device Model）来管理设备。我还希望书中能提供关于功耗管理和实时性方面的讨论，这对于许多嵌入式应用至关重要。这本书的出现，让我看到了提升我嵌入式开发技能的希望，我希望能从中获得宝贵的实践经验和设计思路。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校的计算机科学专业的学生，正在攻读操作系统相关的课程，我对 Linux 内核的世界充满了向往，但常常因为其庞大和复杂而感到无从下手。这次看到这本书，我最大的期待就是它能够提供一个清晰的学习路径，让我能够循序渐进地掌握 Linux 内核在文件系统和设备驱动方面的知识。我希望书中能够从最基础的概念讲起，比如文件系统的前世今生，以及不同类型设备的基本原理，然后逐步深入到内核源码层面，解释数据结构、关键函数和调用流程。对于文件系统，我希望了解 VFS（虚拟文件系统）的抽象层是如何工作的，以及它如何屏蔽不同文件系统的差异。对于设备驱动，我希望理解其生命周期管理，如何加载、卸载，以及如何与内核的硬件抽象层进行交互。书中是否有对一些经典或常用的设备驱动（例如串口、网卡）的详细分析？这些具体的例子将极大地帮助我理解抽象的理论。我希望这本书能够成为我的“内核入门指南”，为我打下坚实的底层基础，为我未来的学习和职业发展奠定良好的开端。