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第1章 Linux系统入门 1

1.1 Linux的发展历史 1

1.2 Linux发行版 2

1.2.1 Red Hat Linux 2

1.2.2 Debian Linux 3

1.2.3 SuSE Linux 4

1.2.4优麒麟Linux 4

1.3 Linux内核 5

1.3.1宏内核和微内核 5

1.3.2 Linux内核概貌 6

1.4如何学习Linux内核 9

1.5 Linux内核实验入门 10

1.5.1实验1：在虚拟机中安装优麒麟Linux 18.04系统 10

1.5.2实验2：给优麒麟Linux系统更换“心脏” 14

1.5.3实验3：使用定制的内核runninglinuxkernel 15

1.5.4实验4：如何编译和运行一个ARM Linux内核 19

第2章 Linux内核基础知识 22

2.1 Linux常用的编译工具 22

2.1.1 GCC工具 22

2.1.2 ARM GCC 23

2.1.3 GCC编译 24

2.2 Linux内核中常用的C语言技巧 25

2.3 Linux内核中常用的数据结构和算法 31

2.3.1链表 31

2.3.2红黑树 34

2.3.3无锁环形缓冲区 36

2.4 Vim工具的使用 38

2.4.1 Vim 8介绍 38

2.4.2 Vim的基本模式 38

2.4.3 Vim中3种模式的切换 39

2.4.4 Vim光标的移动 40

2.4.5删除、复制和粘贴 41

2.4.6查找和替换 41

2.4.7文件相关 41

2.5 git工具的使用 42

2.5.1安装git 43

2.5.2 git基本操作 43

2.5.3分支管理 46

2.6实验 48

2.6.1实验1：GCC编译 48

2.6.2实验2：内核链表 51

2.6.3实验3：红黑树 52

2.6.4实验4：使用Vim工具 52

2.6.5实验5：把Vim打造成一个强大的IDE编辑工具 52

2.6.6实验6：建立一个git本地仓库 60

2.6.7实验7：解决合并分支冲突 62

2.6.8实验8：利用git来管理Linux内核开发 65

2.6.9实验9：利用git来管理项目代码 67

第3章 内核编译和调试 73

3.1内核配置 73

3.1.1内核配置工具 73

3.1.2.config文件 74

3.2实验1：通过QEMU调试ARM Linux内核 76

3.3实验2：通过QEMU调试ARMv8的Linux内核 78

3.4实验3：通过Eclipse＋QEMU单步调试内核 81

3.5实验4：在QEMU中添加文件系统的支持 85

第4章 内核模块 86

4.1从一个内核模块开始 86

4.2模块参数 90

4.3符号共享 92

4.4实验 93

4.4.1实验1：编写一个简单的内核模块 93

4.4.2实验2：向内核模块传递参数 95

4.4.3实验3：在模块之间导出符号 95

第5章 简单的字符设备驱动 96

5.1实验1：从一个简单的字符设备开始 97

5.2字符设备驱动详解 102

5.2.1字符设备驱动的抽象 102

5.2.2设备号的管理 104

5.2.3设备节点 104

5.2.4字符设备操作方法集 105

5.3实验2：使用misc机制来创建设备 107

5.4一个简单的虚拟设备 109

5.4.1实验3：为虚拟设备编写驱动 109

5.4.2实验4：使用KFIFO改进设备驱动 112

5.5阻塞I/O和非阻塞I/O 115

5.5.1实验5：把虚拟设备驱动改成非阻塞模式 115

5.5.2实验6：把虚拟设备驱动改成阻塞模式 118

5.6 I/O多路复用 122

5.6.1 Linux的I/O多路复用 122

5.6.2实验7：向虚拟设备中添加I/O多路复用支持 123

5.7实验8：为什么不能唤醒读写进程 128

5.8实验9：向虚拟设备中添加异步通知 129

5.9本章小结 133

第6章 系统调用 134

6.1系统调用概念 134

6.1.1系统调用和POSIX标准 135

6.1.2系统调用表 135

6.1.3用程序访问系统调用 136

6.1.4新增系统调用 137

6.2实验 137

6.2.1实验1：在ARM32机器上新增一个系统调用 137

6.2.2实验2：在优麒麟Linux机器上新增一个系统调用 138

第7章 内存管理 139

7.1从硬件角度看内存管理 139

7.1.1内存管理的“远古时代” 139

7.1.2分段机制 141

7.1.3分页机制 142

7.1.4虚拟地址到物理地址的转换 143

7.2从软件角度看内存管理 144

7.2.1 free命令 144

7.2.2从应用编程角度看内存管理 145

7.2.3从内存布局图角度看内存管理 146

7.2.4从进程角度看内存管理 150

7.3物理内存管理 154

7.3.1物理页面 155

7.3.2内存管理区 159

7.3.3分配和释放页面 162

7.3.4分配小块内存 170

7.4虚拟内存管理 177

7.4.1进程地址空间 177

7.4.2内存描述符mm_struct 178

7.4.3 VMA管理 180

7.4.4 malloc分配函数 183

7.4.5 mmap 185

7.5缺页异常 188

7.5.1 do_page_fault函数 189

7.5.2匿名页面缺页异常 190

7.5.3文件映射缺页中断 190

7.5.4写时复制缺页异常 191

7.5.5缺页异常小结 192

7.6内存短缺 193

7.6.1页面回收算法 193

7.6.2 OOM Killer机制 194

7.7内存管理实验 195

7.7.1实验1：查看系统内存信息 195

7.7.2实验2：获取系统的物理内存信息 197

7.7.3实验3：分配内存 199

7.7.4实验4：slab 200

7.7.5实验5：VMA 201

7.7.6实验6：mmap 203

7.7.7实验7：映射用户内存 203

7.7.8实验8：OOM 204

第8章 进程管理 205

8.1进程 205

8.1.1进程的来由 205

8.1.2进程描述符 207

8.1.3进程的生命周期 209

8.1.4进程标识 212

8.1.5进程间的家族关系 212

8.1.6获取当前进程 214

8.2进程的创建和终止 216

8.2.1写时复制技术 216

8.2.2 fork（）函数 217

8.2.3 vfork（）函数 218

8.2.4 clone（）函数 218

8.2.5内核线程 219

8.2.6 do_fork（）函数 219

8.2.7终止进程 221

8.2.8僵尸进程和托孤进程 222

8.2.9进程0和进程1 222

8.3进程调度 223

8.3.1进程分类 224

8.3.2进程优先级 224

8.3.3时间片 225

8.3.4经典调度算法 225

8.3.5 Linux O（n）调度算法 228

8.3.6 Linux O（l）调度算法 228

8.3.7 Linux CFS调度算法 228

8.3.8进程切换 233

8.3.9与调度相关的数据结构 239

8.4多核调度 241

8.4.1调度域和调度组 241

8.4.2负载计算 244

8.4.3负载均衡算法 245

8.5实验 246

8.5.1实验1：fork和clone 246

8.5.2实验2：内核线程 247

8.5.3实验3：后台守护进程 247

8.5.4实验4：进程权限 247

8.5.5实验5：设置优先级 247

8.5.6实验6：per-cpu变量 248

第9章 同步管理 250

9.1原子操作与内存屏障 251

9.1.1原子操作 251

9.1.2内存屏障 253

9.2自旋锁机制 254

9.2.1自旋锁定义 254

9.2.2自旋锁变种 256

9.2.3自旋锁和raw_spin_lock 257

9.2.4自旋锁的改进 257

9.3信号量 258

9.4互斥体 259

9.5读写锁 261

9.5.1读写锁定义 261

9.5.2读写信号量 262

9.6 RCU 264

9.7等待队列 267

9.7.1等待队列头 267

9.7.2等待队列节点 268

9.8实验 269

9.8.1实验1：自旋锁 269

9.8.2实验2：互斥锁 269

9.8.3实验3：RCU 269

第10章 中断管理 270

10.1 Linux中断管理机制 270

10.1.1 ARM中断控制器 271

10.1.2硬件中断号和Linux中断号的映射 275

10.1.3注册中断 276

10.2软中断和tasklet 278

10.2.1 SoftIRQ软中断 279

10.2.2 tasklet 280

10.2.3 local_bh_disable/local_bh_enable 281

10.2.4本节小结 282

10.3工作队列机制 282

10.3.1工作队列类型 283

10.3.2使用工作队列 285

10.3.3本节小结 285

10.4实验 286

10.4.1实验1：tasklet 286

10.4.2实验2：工作队列 286

10.4.3实验3：定时器和内核线程 287

第11章 调试和性能优化 288

11.1 printk和动态输出 289

11.1.1 printk输出函数 289

11.1.2动态输出 290

11.1.3实验1：printk 292

11.1.4实验2：动态输出 292

11.2 proc和debugfs 293

11.2.1 proc文件系统 293

11.2.2 sys文件系统 295

11.2.3 debugfs 296

11.2.4实验3：procfs 297

11.2.5实验4：sysfs 298

11.2.6实验5：debugfs 300

11.3 frrace 301

11.3.1 irqs跟踪器 302

11.3.2 preemptoff跟踪器 304

11.3.3 preemptirqsoff跟踪器 305

11.3.4 function跟踪器 306

11.3.5动态ftrace 307

11.3.6事件跟踪 308

11.3.7实验6：使用frace 310

11.3.8实验7：添加一个新的跟踪点 311

11.3.9实验8：使用示踪标志 314

11.3.10实验9：使用kemelshark来分析数据 317

11.4实验10：分析oops错误 319

11.5 perf性能分析工具 323

11.5.1实验11：使用 perf工具来进行性能分析 328

11.5.2实验12：采集perf数据生成火焰图 329

11.6内存检测 329

11.6.1实验13：使用slub_debug检查内存泄漏 330

11.6.2实验14：使用kmemleak检查内存泄漏 335

11.6.3实验15：使用kasan检查内存泄漏 337

11.6.4实验16：使用valgrind检查内存泄漏 340

11.7实验17：kdump 342

11.8性能和测试 348

11.8.1性能测试概述 348

11.8.2实验18：使用lkp-tests工具进行性能测试 349

第12章 开源社区 350

12.1什么是开源社区 350

12.1.1开源软件的发展历史 350

12.1.2 Linux基金会 351

12.1.3开源协议 351

12.1.4 Linux内核社区 353

12.1.5国内开源社区 354

12.2参与开源社区 354

12.2.1参与开源项目的好处 354

12.2.2如何参与开源项目 355

12.3实验1：使用cppcheck检查代码 356

12.4实验2：提交第一个Linux内核补丁 357

12.5实验3：管理和提交多个补丁组成的补丁集 359

12.6实验4：在Gitee中创建一个开源项目 363

参考文献 366