本书以Linux操作系统为基础，详细介绍了Linux内核子系统，并用大量内核源代码和示例程序进行演示，对深入了解Linux内核具有指导意义。本书内容主要包括：Linux基本知识、内核探索工具集、程序执行的基本模型、内存管理、输入/输出、文件系统、调度与内核同步、内核引导、构建Linux内核，以及向内核添加代码等。简述一些应用工具和使用程序，从而可以获取理解内核内幕所需的信息。每章末都给出小结和一些练习，涉及内核运行的操作及工作原理。本书适合不同级别的系统程序员、Linux爱好者以及应用程序开发人员学习和参考。

本书是一本Linux内核编程的权威指南，其独特的由表及里学习途径使得内核编程更易于理解。本书从用户空间到内核，把内核的实现原理与用户级编程的基本原则相联系，系统地跟踪了实现功能。这种途径有助于在你所了解的Linux知识基础上，加深对内核组成及工作机理的理解。

为了理解内核代码并掌控其行为，作者逐步引入所有的工具和汇编语言编程技术，并一一比较x86和PowerPC的实现，揭示了含糊不清的实现功能。另外，书中对源代码例子和实际项目都加有适当注释。本书是第一本全面涵盖快速增长的PowerPC Linux开发平台的书，也是惟一一本用Linux构建系统彻底讨论内核配置的书。本书主要内容：●数据结构●x86和PPC汇编语言●查看内核内部状态●Linux进程模型●用户空间和内核空间●中断和异常●内存分配和跟踪●跟踪子系统行为●I/O交互●文件系统和文件操作●调度和同步●内核启动过程●内核构建过程●配置选项●设备驱动程序。

本书介绍了Linux内核编程需要的所有技巧和技术，无论对于系统程序员、软件工程师、系统分析员、测试人员还是Linux的热衷者来说，都是不可或缺的参考书。

第1章 概述

1.1 UNIX发展史 1

1.2 标准和通用接口 2

1.3 自由软件和开放源码 3

1.4 Linux发布版的快速浏览 3

1.4.1 Debian 4

1.4.2 Red Hat/Fedora 4

1.4.3 Mandriva 4

1.4.4 SUSE 4

1.4.5 Gentoo 4

1.4.6 Yellow Dog 4

1.4.7 其他发布版 5

1.5 内核版本信息 5

1.6 基于Power的Linux 5

1.7 操作系统的概念 6

1.8 内核组织 7

1.9 Linux内核概述 7

1.9.1 用户接口 7

1.9.2 用户身份鉴别 8

1.9.3 文件和文件系统 8

1.9.4 进程 12

1.9.5 系统调用 15

1.9.6 Linux调度程序 15

1.9.7 Linux设备驱动程序 16

1.10 可移植性和体系结构相关性 16

小结 17

习题 17

第2章 内核探索工具集 18

2.1 内核中常见的数据类型 18

2.1.1 链表 18

2.1.2 查找 21

2.1.3 树 21

2.2 汇编 23

2.2.1 PowerPC 24

2.2.2 x86 26

2.3 汇编语言示例 28

2.3.1 x86中的汇编示例 29

2.3.2 PowerPC中的汇编示例 31

2.4 内联汇编 33

2.4.1 输出操作数 33

2.4.2 输入操作数 33

2.4.3 修改过的寄存器（或者已修改元素列表） 33

2.4.4 参数的编号方式 34

2.4.5 约束条件 34

2.4.6 asm 34

2.4.7 volatile 34

2.5 特殊的C语言用法 37

2.5.1 asmlinkage 37

2.5.2 UL 38

2.5.3 inline 38

2.5.4 const和volatile 38

2.6 内核探测工具一览 39

2.6.1 objdump/readelf 39

2.6.2 hexdump 40

2.6.3 nm 41

2.6.4 objcopy 41

2.6.5 ar 41

2.7 内核发言:倾听来自内核的消息 41

2.7.1 printk（） 41 

2.7.2 dmesg 41

2.7.3 /var/log/messages 42

2.8 其他 42

2.8.1 init 42

2.8.2 likely（）和unlikely（） 42

2.8.3 IS ERR和PTR ERR 43

2.8.4 通告程序链 44

小结 44

项目:Hellomode 44

习题 47

第3章 进程:程序执行的基本模型 48

3.1 引入程序 49

3.2 进程描述符 51

3.2.1 与进程属性相关的域 53

3.2.2 与调度相关的域 54

3.2.3 涉及进程间相互关系的域 56

3.2.4 进程信任度相关的域 58

3.2.5 进程权能相关的域 59

3.2.6 进程限制相关的域 60

3.2.7 文件系统和地址空间相关的域 61

3.3 进程的创建:fork（）、vfork和clone（）系统调用 62

3.3.1 fork（）函数 64

3.3.2 vfork（）函数 64

3.3.3 clone（）函数 65

3.3.4 do fork（）函数 66

3.4 进程生命周期 68

3.4.1 进程的状态 68

3.4.2 进程状态转换 69

3.5 进程的终止 72

3.5.1 sys exit（）函数 73

3.5.2 do exit（）函数 73

3.5.3 父进程通知和sys wait4（） 75

3.6 了解进程的动态:调度程序的基本构架 77

3.6.1 基本结构 78

3.6.2 从等待中醒来或者激活 79

3.7 等待队列 83

3.7.1 添加到等待队列 85

3.7.2 等待事件 86

3.7.3 唤醒进程 88

3.8 异步执行流程 90

3.8.1 异常 90

3.8.2 中断 92

小结 109

项目:current系统变量 110

习题 112

第4章 内存管理 113

4.1 页 115

4.1.1 标志 116

4.2 内存区 117

4.2.1 内存区描述符 117

4.2.2 内存区操作辅助函数组 119

4.3 页面 120

4.3.1 请求页面函数族 120

4.3.2 释放页面的函数族 121

4.3.3 伙伴系统 122

4.4 Slab分配器 126

4.4.1 缓存描述符 127

4.4.2 通用目的缓存描述符 131

4.4.3 slab描述符 131

4.5 slab分配器的生命周期 133

4.5.1 slab分配器有关的全局变量 133

4.5.2 创建缓存 134

4.5.3 slab创建与cache grow（） 139

4.5.4 Slab的销毁:退还内存与kmem cache destroy（） 141

4.6 内存请求路径 142

4.6.1 kmalloc（） 142

4.6.2 kmem cache alloc（） 143

4.7 进程内存结构 144

4.7.1 mm struct 144

4.7.2 vm area struct 146

4.8 进程映像分布于线性地址空间 147

4.9 页表 150

4.10 缺页 150 

4.10.1 x86缺页异常 151

4.10.2 缺页处理程序 151

4.10.3 PowerPC缺页异常 158

小结 158

项目:进程内存映射 159

习题 160

第5章 输入/输出 161

5.1 硬件如何实现总线、桥、端口和接口 161

5.2 设备 165

5.2.1 块设备概述 165

5.2.2 请求队列和I/O调度 166

5.2.3 示例:“通用”块设备驱动程序 174

5.2.4 设备操作 176

5.2.5 字符设备概述 177

5.2.6 网络设备 177

5.2.7 时钟设备 177

5.2.8 终端设备 178

5.2.9 直接存储器存取 178

小结 178

项目:创建并口驱动程序 178

习题 186

第6章 文件系统 187

6.1 文件系统的一般概念 187

6.1.1 文件和文件名 187

6.1.2 文件类型 188

6.1.3 附加文件属性 188

6.1.4 目录和路径名 189

6.1.5 文件的操作 189

6.1.6 文件描述符 189

6.1.7 磁盘块，磁盘分区及其实现 190

6.1.8 性能 191

6.2 Linux的虚拟文件系统 191

6.2.1 VFS的数据结构 193

6.2.2 全局链表和局部链表的引用 203

6.3 与VFS相关的结构 204

6.3.1 fs struct结构 205

6.3.2 files struct结构 205

6.4 页缓冲 208

6.4.1 address space结构 209

6.4.2 buffer head结构 210

6.5 VFS的系统调用和文件系统层 212

6.5.1 open（） 213

6.5.2 close（） 217

6.5.3 read（） 220

6.5.4 write（） 235

小结 236

习题 237

第7章 调度和内核同步 238

7.1 Linux调度程序 239

7.1.1 选择下一个进程 239

7.1.2 上下文切换 244

7.1.3 让出CPU 251

7.2 抢占 259

7.2.1 显式内核抢占 259

7.2.2 隐式用户抢占 259

7.2.3 隐式内核抢占 260

7.3 自旋锁和信号量 262

7.4 系统时钟:关于时间和定时器 264

7.4.1 实时时钟:现在几点了? 264

7.4.2 读取PPC实时时钟 266

7.4.3 读取x86的实时时钟 268

小结 269

习题 270

第8章 内核引导 271

8.1 BIOS和Open Firmware 272

8.2 引导装入程序（Boot Loaders） 272

8.2.1 GRUB 273

8.2.2 LILO 275

8.2.3 PowerPC和Yaboot 276

8.3 体系结构相关的内存初始化 277

8.3.1 PowerPC的硬件内存管理 277

8.3.2 基于Intel x86体系结构的硬件内存管理 286

8.3.3 PowerPC和x86的代码汇集 294

8.4 原始的RAM盘 294 8.5 开始:start kernel（） 295

8.5.1 调用lock kernel（） 296

8.5.2 调用page address init（） 298

8.5.3 调用printk（linux banner） 300

8.5.4 调用setup arch 300

8.5.5 调用setup per cpu areas（） 303

8.5.6 调用smp prepare boot cpu（） 304

8.5.7 调用sched init（） 305

8.5.8 调用build all zonelists（） 307

8.5.9 调用page alloc init 307

8.5.10 调用parse args（） 308

8.5.11 调用trap init（） 310

8.5.12 调用rcu init（） 310

8.5.13 调用init IRQ（） 311

8.5.14 调用softirq init（） 312

8.5.15 调用time init（） 312

8.5.16 调用console init（） 313

8.5.17 调用profile init（） 314

8.5.18 调用local irq enable（） 314

8.5.19 配置initrd 315

8.5.20 调用mem init（） 315

8.5.21 调用late time init（） 320

8.5.22 调用calibrate delay（） 320

8.5.23 调用pgtable cache init（） 321

8.5.24 调用buffer init（） 322

8.5.25 调用security scaffolding startup（） 323

8.5.26 调用vfs caches init（） 323

8.5.27 调用radix tree init（） 329

8.5.28 调用signal init（） 330

8.5.29 调用page writeback init（） 330

8.5.30 调用proc root init（） 332

8.5.31 调用init idle（） 334

8.5.32 调用rest init（） 334

8.6 init线程（或进程1） 335

小结 339

习题 339

第9章 构建Linux内核 340

9.1 工具链 340

9.1.1 编译程序 341

9.1.2 跨编译程序 341

9.1.3 链接程序 342

9.1.4 ELF二进制目标文件 342

9.2 编译内核源代码 346

9.2.1 解释源代码 346

9.2.2 编译内核映像 349

小结 355

习题 355

第10章 向内核添加代码 356

10.1 浏览源代码 356

10.1.1 熟悉文件系统 356

10.1.2 Filps和Fops 357

10.1.3 用户空间和内核空间 359

10.1.4 等待队列 360

10.1.5 工作队列和中断 363

10.1.6 系统调用 365

10.1.7 其他类型的驱动程序 365

10.1.8 设备模型和sysfs系统文件 368

10.2 编写源代码 370

10.2.1 设备基础 370

10.2.2 符号输出 372

10.2.3 IOCTL 373

10.2.4 轮询与中断 375

10.2.5 工作队列和Tasklets 379

10.2.6 增加系统调用的代码 380

10.3 编译和调试 382

小结 383

习题 384

参考文献 385