●第 1章 Linux繫統入門1 1.1 Linux的發展歷史 1 1.2 Linux發行版 2 1.2.1 Red Hat Linux 2 1.2.2 Debian Linux 3 1.2.3 SuSE Linux 4 1.2.4 優麒麟Linux 4 1.3 Linux內核 5 1.3.1 宏內核和微內核 5 1.3.2 Linux內核概貌 6 1.4 如何學習Linux內核 9 1.5 Linux內核實驗入門 10 1.5.1 實驗1：在虛擬機中安裝優麒麟Linux 18.04繫統 10 1.5.2 實驗2：給優麒麟Linux繫統更換“心髒” 14 1.5.3 實驗3：使用定制的內核runninglinuxkernel 15 1.5.4 實驗4：如何編譯和運行一個ARM Linux內核 19 第 2章 Linux內核基礎知識 22 2.1 Linux常用的編譯工具 22 2.1.1 GCC工具 22 2.1.2 ARM GCC 23 2.1.3 GCC編譯 24 2.2 Linux內核中常用的C語言技巧 25 2.3 Linux內核中常用的數據結構和算法 31 2.3.1 鏈表 31 2.3.2 紅黑樹 34 2.3.3 無鎖環形緩衝區 36 2.4 Vim工具的使用 38 2.4.1 Vim 8介紹 38 2.4.2 Vim的基本模式 38 2.4.3 Vim中3種模式的切換 39 2.4.4 Vim光標的移動 40 2.4.5 刪除、復制和粘貼 41 2.4.6 查找和替換 41 2.4.7 文件相關 41 2.5 git工具的使用 42 2.5.1 安裝git 43 2.5.2 git基本操作 43 2.5.3 分支管理 46 2.6 實驗 48 2.6.1 實驗1：GCC編譯 48 2.6.2 實驗2：內核鏈表 51 2.6.3 實驗3：紅黑樹 52 2.6.4 實驗4：使用Vim工具 52 2.6.5 實驗5：把Vim打造成一個強大的IDE編輯工具 52 2.6.6 實驗6：建立一個git本地倉庫 60 2.6.7 實驗7：解決合並分支衝突 62 2.6.8 實驗8：利用git來管理Linux內核開發 65 2.6.9 實驗9：利用git來管理項目代碼 67 第3章 內核編譯和調試 73 3.1 內核配置 73 3.1.1 內核配置工具 73 3.1.2 .config文件 74 3.2 實驗1：通過QEMU調試ARM Linux內核 76 3.3 實驗2：通過QEMU調試ARMv8的Linux內核 78 3.4 實驗3：通過Eclipse+QEMU單步調試內核 81 3.5 實驗4：在QEMU中添加文件繫統的支持 85 第4章 內核模塊 86 4.1 從一個內核模塊開始 86 4.2 模塊參數 90 4.3 符號共享 92 4.4 實驗 93 4.4.1 實驗1：編寫一個簡單的內核模塊 93 4.4.2 實驗2：向內核模塊傳遞參數 95 4.4.3 實驗3：在模塊之間導出符號 95 第5章 簡單的字符設備驅動 96 5.1 實驗1：從一個簡單的字符設備開始 97 5.2 字符設備驅動詳解 102 5.2.1 字符設備驅動的抽像 102 5.2.2 設備號的管理 104 5.2.3 設備節點 104 5.2.4 字符設備操作方法集 105 5.3 實驗2：使用misc機制來創建設備 107 5.4 一個簡單的虛擬設備 109 5.4.1 實驗3：為虛擬設備編寫驅動 109 5.4.2 實驗4：使用KFIFO改進設備驅動 112 5.5 阻塞I O和非阻塞I O 115 5.5.1 實驗5：把虛擬設備驅動改成非阻塞模式 115 5.5.2 實驗6：把虛擬設備驅動改成阻塞模式 118 5.6 I O多路復用 122 5.6.1 Linux的I O多路復用 122 5.6.2 實驗7：向虛擬設備中添加I O多路復用支持 123 5.7 實驗8：為什麼不能喚醒讀寫進程 128 5.8 實驗9：向虛擬設備中添加異步通知 129 5.9 本章小結 133 第6章 繫統調用 134 6.1 繫統調用概念 134 6.1.1 繫統調用和POSIX標準 135 6.1.2 繫統調用表 135 6.1.3 用程序訪問繫統調用 136 6.1.4 新增繫統調用 137 6.2 實驗 137 6.2.1 實驗1：在ARM32機器上新增一個繫統調用 137 6.2.2 實驗2：在優麒麟Linux機器上新增一個繫統調用 138 第7章 內存管理 139 7.1 從硬件角度看內存管理 139 7.1.1 內存管理的“遠古時代” 139 7.1.2 分段機制 141 7.1.3 分頁機制 142 7.1.4 虛擬地址到物理地址的轉換 143 7.2 從軟件角度看內存管理 144 7.2.1 free命令 144 7.2.2 從應用編程角度看內存管理 145 7.2.3 從內存布局圖角度看內存管理 146 7.2.4 從進程角度看內存管理 150 7.3 物理內存管理 154 7.3.1 物理頁面 155 7.3.2 內存管理區 159 7.3.3 分配和釋放頁面 162 7.3.4 分配小塊內存 170 7.4 虛擬內存管理 177 7.4.1 進程地址空間 177 7.4.2 內存描述符mm_struct 178 7.4.3 VMA管理 180 7.4.4 malloc分配函數 183 7.4.5 mmap 185 7.5 缺頁異常 188 7.5.1 do_page_fault函數 189 7.5.2 匿名頁面缺頁異常 190 7.5.3 文件映射缺頁中斷 190 7.5.4 寫時復制缺頁異常 191 7.5.5 缺頁異常小結 192 7.6 內存短缺 193 7.6.1 頁面回收算法 193 7.6.2 OOM Killer機制 194 7.7 內存管理實驗 195 7.7.1 實驗1：查看繫統內存信息 195 7.7.2 實驗2：獲取繫統的物理內存信息 197 7.7.3 實驗3：分配內存 199 7.7.4 實驗4：slab 200 7.7.5 實驗5：VMA 201 7.7.6 實驗6：mmap 203 7.7.7 實驗7：映射用戶內存 203 7.7.8 實驗8：OOM 204 第8章 進程管理 205 8.1 進程 205 8.1.1 進程的來由 205 8.1.2 進程描述符 207 8.1.3 進程的生命周期 209 8.1.4 進程標識 212 8.1.5 進程間的家族關繫 212 8.1.6 獲取當前進程 214 8.2 進程的創建和終止 216 8.2.1 寫時復制技術 216 8.2.2 fork()函數 217 8.2.3 vfork()函數 218 8.2.4 clone()函數 218 8.2.5 內核線程 219 8.2.6 do_fork()函數 219 8.2.7 終止進程 221 8.2.8 僵尸進程和托孤進程 222 8.2.9 進程0和進程1 222 8.3 進程調度 223 8.3.1 進程分類 224 8.3.2 進程優先級 224 8.3.3 時間片 225 8.3.4 經典調度算法 225 8.3.5 Linux O(n)調度算法 228 8.3.6 Linux O(1)調度算法 228 8.3.7 Linux CFS調度算法 228 8.3.8 進程切換 233 8.3.9 與調度相關的數據結構 239 8.4 多核調度 241 8.4.1 調度域和調度組 241 8.4.2 負載計算 244 8.4.3 負載均衡算法 245 8.5 實驗 246 8.5.1 實驗1：fork和clone 246 8.5.2 實驗2：內核線程 247 8.5.3 實驗3：後臺守護進程 247 8.5.4 實驗4：進程權限 247 8.5.5 實驗5：設置優先級 247 8.5.6 實驗6：per-cpu變量 248 第9章 同步管理 250 9.1 原子操作與內存屏障 251 9.1.1 原子操作 251 9.1.2 內存屏障 253 9.2 自旋鎖機制 254 9.2.1 自旋鎖定義 254 9.2.2 自旋鎖變種 256 9.2.3 自旋鎖和raw_spin_lock 257 9.2.4 自旋鎖的改進 257 9.3 信號量 258 9.4 互斥體 259 9.5 讀寫鎖 261 9.5.1 讀寫鎖定義 261 9.5.2 讀寫信號量 262 9.6 RCU 264 9.7 等待隊列 267 9.7.1 等待隊列頭 267 9.7.2 等待隊列節點 268 9.8 實驗 269 9.8.1 實驗1：自旋鎖 269 9.8.2 實驗2：互斥鎖 269 9.8.3 實驗3：RCU 269 第 10章 中斷管理 270 10.1 Linux中斷管理機制 270 10.1.1 ARM中斷控制器 271 10.1.2 硬件中斷號和Linux中斷號的映射 275 10.1.3 注冊中斷 276 10.2 軟中斷和tasklet 278 10.2.1 SoftIRQ軟中斷 279 10.2.2 tasklet 280 10.2.3 local_bh_disable local_bh_enable 281 10.2.4 本節小結 282 10.3 工作隊列機制 282 10.3.1 工作隊列類型 283 10.3.2 使用工作隊列 285 10.3.3 本節小結 285 10.4 實驗 286 10.4.1 實驗1：tasklet 286 10.4.2 實驗2：工作隊列 286 10.4.3 實驗3：定時器和內核線程 287 第 11章 調試和性能優化 288 11.1 printk和動態輸出 289 11.1.1 printk輸出函數 289 11.1.2 動態輸出 290 11.1.3 實驗1：printk 292 11.1.4 實驗2：動態輸出 292 11.2 proc和debugfs 293 11.2.1 proc文件繫統 293 11.2.2 sys文件繫統 295 11.2.3 debugfs 296 11.2.4 實驗3：procfs 297 11.2.5 實驗4：sysfs 298 11.2.6 實驗5：debugfs 300 11.3 ftrace 301 11.3.1 irqs跟蹤器 302 11.3.2 preemptoff跟蹤器 304 11.3.3 preemptirqsoff跟蹤器 305 11.3.4 function跟蹤器 306 11.3.5 動態ftrace 307 11.3.6 事件跟蹤 308 11.3.7 實驗6：使用frace 310 11.3.8 實驗7：添加一個新的跟蹤點 311 11.3.9 實驗8：使用示蹤標志 314 11.3.10 實驗9：使用kernelshark來分析數據 317 11.4 實驗10：分析oops錯誤 319 11.5 perf性能分析工具 323 11.5.1 實驗11：使用perf工具來進行性能分析 328 11.5.2 實驗12：采集perf數據生成火焰圖 329 11.6 內存檢測 329 11.6.1 實驗13：使用slub_debug檢查內存洩漏 330 11.6.2 實驗14：使用kmemleak檢查內存洩漏 335 11.6.3 實驗15：使用kasan檢查內存洩漏 337 11.6.4 實驗16：使用valgrind檢查內存洩漏 340 11.7 實驗17：kdump 342 11.8 性能和測試 348 11.8.1 性能測試概述 348 11.8.2 實驗18：使用lkp-tests工具進行性能測試 349 第 12章 開源社區 350 12.1 什麼是開源社區 350 12.1.1 開源軟件的發展歷史 350 12.1.2 Linux基金會 351 12.1.3 開源協議 351 12.1.4 Linux內核社區 353 12.1.5 國內開源社區 354 12.2 參與開源社區 354 12.2.1 參與開源項目的好處 354 12.2.2 如何參與開源項目 355 12.3 實驗1：使用cppcheck檢查代碼 356 12.4 實驗2：提交第 一個Linux內核補丁 357 12.5 實驗3：管理和提交多個補丁組成的補丁集 359 12.6 實驗4：在Gitee中創建一個開源項目 363 參考文獻 366