《疱丁解牛Linux内核分析》孟宁【文字版_PDF电子书_推荐】_计算机类

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《疱丁解牛Linux内核分析》孟宁【文字版_PDF电子书_推荐】

内容简介：

本书从理解计算机硬件的核心工作机制(存储程序计算机和函数调用堆栈)和用户态程序如何通过系统调用陷入内核(中断异常)入手，通过上下两个方向双向夹击的策略，并利用实际可运行程序的反汇编代码从实践的角度理解操作系统内核，分析Linux内核源代码，从系统调用陷入内核、进程调度与进程切换开始，*后返回到用户态进程。

本书配有丰富的实验指导材料和练习，适合作为高等院校计算机相关专业的指导用书，也适合Linux操作系统开发人员自学。

作者简介：

孟宁，高校教师、资 深码农，主讲课程获国家精品在线开放课程认定。在读行学、网易云课堂、学堂在线、实验楼等在线教育平台的累计注册学员达10万余人次，专注于Linux内核、互联网架构、软件工程、区块链、人工智能等技术领域，与华为、IBM等多家国内外知名企业和创业公司有技术合作。

娄嘉鹏，高校教师，曾荣获北京市优 秀教师，蓝墨云平台北京市十大魅力教师等称号，讲授Java程序设计、Linux内核原理与分析、网络攻防实战、移动平台开发等课程，研究方向包括Linux内核及安全、密码系统、软件工程等。

刘宇栋，高校教师，主要研究方向包括网络攻防技术、系统安全、社交网络分析等。并讲授操作系统、Linux内核原理与分析、网络对抗技术等课程。

目  录：

第 1章　计算机工作原理 1

1.1 存储程序计算机工作模型1

1.2 x86-32汇编基础 3

1.2.1　x86-32 CPU的寄存器 4

1.2.2　数据格式 6

1.2.3　寻址方式和常用汇编指令 7

1.2.4　汇编代码范例解析 11

1.3 汇编一个简单的C语言程序并分析其汇编指令执行过程 13

1.4 单元测试题 26

1.5 实验 27

第 2章　操作系统是如何工作的 29

2.1 函数调用堆栈 29

2.2 借助Linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作模型及时钟中断 32

2.2.1　内嵌汇编 32

2.2.2　虚拟一个x86的CPU硬件平台 34

2.3 在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核 36

2.3.1　代码范例 36

2.3.2　代码分析 42

2.4 单元测试题 48

2.5 实验 48

第3章　MenuOS的构造 50

3.1 Linux内核源代码简介50

3.2 构造一个简单的Linux内核 56

3.3 跟踪调试Linux内核的启动过程 60

3.4 单元测试题 65

3.5 实验 66

第4章　系统调用的三层机制(上) 67

4.1 用户态、内核态和中断67

4.2 系统调用概述 70

4.2.1　操作系统提供的API和系统调用的关系 70

4.2.2　触发系统调用及参数传递方式 71

4.3 使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用 72

4.3.1　使用库函数API触发一个系统调用 72

4.3.2　内嵌汇编语法简介 73

4.3.3　C代码中嵌入汇编代码触发一个系统调用 75

4.3.4　含两个参数的系统调用范例 76

4.3.5　通用的触发系统调用的库函数syscall 78

4.4 单元测试题 79

4.5 实验 80

第5章　系统调用的三层机制(下) 81

5.1 给MenuOS增加命令 81

5.2 使用gdb跟踪系统调用内核函数sys_time 83

5.3 系统调用在内核代码中的处理过程 85

5.3.1 中断向量0x80和system_call中断服务程序入口的关系 86

5.3.2 在system_call汇编代码中的系统调用内核处理函数 87

5.3.3 整体上理解系统调用的内核处理过程 88

5.4 单元测试题 91

5.5 实验 92

第6章　进程的描述和进程的创建 93

6.1 进程的描述 93

6.2 进程的创建 97

6.2.1 0号进程的初始化98

6.2.2 内存管理相关代码99

6.2.3 进程之间的父子、兄弟关系 100

6.2.4 保存进程上下文中CPU相关的一些状态信息的数据结构 101

6.2.5 进程的创建过程分析103

6.3 单元测试题 120

第7章　可执行程序工作原理 122

7.1 ELF目标文件格式122

7.1.1 ELF概述 122

7.1.2 ELF格式简介123

7.1.3 相关操作指令 128

7.2 程序编译 129

7.2.1 预处理 129

7.2.2 编译 130

7.2.3 汇编 131

7.2.4 链接 133

7.3 链接与库 134

7.3.1 符号与符号解析134

7.3.2 重定位 137

7.3.3 静态链接与动态链接139

7.4 程序装载 143

7.4.1 程序装载概要 143

7.4.2 fork与execve内核处理过程 148

7.4.3 庄周梦蝶 153

7.4.4 小结 154

7.5 单元测试题 155

7.6 实验 156

第8章　进程的切换和系统的一般执行过程 158

8.1 进程调度的时机 158

8.1.1 硬中断与软中断158

8.1.2 进程调度时机 159

8.2 调度策略与算法 161

8.2.1 进程的分类 161

8.2.2 调度策略 162

8.2.3 CFS调度算法164

8.3 进程上下文切换 165

8.3.1 进程执行环境的切换165

8.3.2 核心代码分析 167

8.4 Linux系统的运行过程172

8.5 Linux系统构架与执行过程概览 174

8.5.1 Linux操作系统的构架 174

8.5.2 ls命令执行过程即涉及操作系统相关概念 175

8.6 进程调度相关源代码跟踪和分析 176

8.6.1 配置运行MenuOS系统 176

8.6.2 配置gdb远程调试和设置断点 177

8.6.3 使用gdb跟踪分析schedule()函数 177

8.7 单元测试题 179

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疱丁解牛 Linux

摘要：《庖丁解牛Linux内核分析》由孟宁编著，是一本以庖丁解牛典故为喻，深入剖析Linux内核设计哲学的经典之作。本书并非简单的代码罗列，而是将内核的复杂机制拆解为可理解的逻辑脉络，引导读者从宏观架构到微观实现，逐步掌握进程管理、内存管理、文件系统与设备驱动等核心模块。作者以庖丁“依乎天理”的智慧，强调理解内核设计思想比记忆代码更为重要，使读者在阅读中既能获得技术深度，又能领悟计算机系统的精妙。全书语言平实，案例丰富，适合有一定编程基础并渴望深入操作系统内核的开发者。通过本书，读者不仅能掌握Linux内核的运作原理，更能培养系统级思维，从而在软件开发中游刃有余。

1、内核架构与设计哲学

本书开篇即从宏观视角切入，引导读者理解Linux内核的整体架构。孟宁将内核比作一个精密的有机体，而非杂乱的代码堆砌，重点阐释了微内核与宏内核的区别，以及Linux为何选择宏内核设计。这种选择带来了性能优势，同时也对开发者提出了更高要求，书中通过清晰的图表和类比，让抽象的概念变得直观可感。

设计哲学是内核的灵魂，作者强调了“机制与策略分离”的原则。机制是内核提供的基础能力，如进程调度算法、内存分配接口，而策略则是用户空间如何利用这些机制。书中以调度器为例，说明内核只负责公平分配CPU时间，而具体优先级则由用户程序决定，这种分层思想贯穿全书。

庖丁解牛的典故被巧妙引入，作者指出学习内核不应盲目追求代码细节，而应像庖丁一样先“目无全牛”，再“依乎天理”。这种理念帮助读者摆脱对海量代码的恐惧，转而关注数据结构与算法背后的逻辑。例如，在分析进程描述符时，书中重点讲解其设计意图，而非逐行解释代码。

2、进程管理与调度机制

进程是操作系统最核心的抽象之一，本书对进程管理进行了详尽剖析。从进程描述符task_struct的结构入手，作者逐步拆解进程状态、上下文切换以及创建与销毁过程。每个环节都配以实际代码片段，但重点落在为何如此设计，例如为何使用红黑树管理进程优先级，而非简单链表。

调度器是进程管理的核心，书中深入分析了CFS（完全公平调度器）的设计原理。孟宁用“虚拟运行时间”这一概念解释公平性如何实现，并对比了O(1)调度器的优劣。读者能清晰看到，调度器不是简单的时间片轮转，而是基于红黑树与权重计算的复杂平衡，这种平衡既保证响应速度，又避免饥饿。

进程同步与通信也是重点内容，书中讲解了自旋锁、信号量、互斥锁等机制。作者特别强调了死锁的预防与检测，并通过实际案例展示锁使用不当导致的性能问题。例如，在分析内核抢占时，读者能理解为何某些操作必须关中断，这些细节让理论落地为实战经验。

3、内存管理与地址空间

内存管理是Linux内核的另一大支柱，本书从物理内存与虚拟内存的分离讲起。作者详细解释了页表机制、TLB缓存以及伙伴系统与slab分配器的协作。通过图示，读者能直观看到虚拟地址如何映射到物理页框，以及缺页异常的处理流程，这种视角让内存管理不再神秘。

进程地址空间的布局是本书亮点之一，书中分析了堆、栈、数据段与代码段的划分，以及内存映射文件的工作原理。作者以malloc函数为例，深入glibc与内核的交互过程，说明为何频繁分配小内存会导致碎片。这种从用户态到内核态的打通，让读者对内存使用有了全局认知。

针对现代硬件，书中还探讨了NUMA架构下的内存管理优化。读者能学到如何通过内存绑定与CPU亲和性提升性能，以及内核如何处理大页与透明大页。这些内容紧跟技术前沿，帮助读者理解为何某些服务器应用需要定制内核参数，从而在实际开发中做出合理选择。

4、文件系统与设备驱动

文件系统是用户与存储设备的桥梁，本书深入分析了VFS（虚拟文件系统）的抽象层设计。作者指出，VFS使得不同文件系统（如ext4、XFS）能统一接口，并通过inode、dentry、file等核心结构实现。书中以文件打开流程为例，逐步展示路径解析、权限检查与磁盘I/O的协作，逻辑清晰。

设备驱动部分，本书强调了驱动模型的重要性。孟宁解释了字符设备、块设备与网络设备的区别，以及如何通过platform总线、设备树等机制实现硬件抽象。读者能学习到驱动编写的基本流程，从初始化到中断处理，再到与用户空间的交互，每个步骤都有实例支撑。

最后，书中还讨论了I/O调度与性能优化。作者对比了noop、deadline、CFQ等调度器的适用场景，并讲解了异步I/O与直接I/O的区别。通过一个数据库应用的案例分析，读者能理解为何选择正确的I/O模式能显著提升吞吐量。这些内容让文件系统与驱动不再是孤立知识，而是融入系统性能调优的整体框架。

总结：本书以庖丁解牛之智慧，将Linux内核的庞杂体系拆解为清晰可循的脉络。从架构哲学到进程管理，从内存机制到文件系统，每一部分都紧扣设计思想而非机械代码。读者在阅读中不仅能掌握内核运作原理，更能培养出系统级思维，学会像庖丁一样“以神遇而不以目视”。

对于渴望深入操作系统底层的开发者而言，这本书是一把打开内核大门的钥匙。它没有停留在表面概念，而是引导读者理解每个模块背后的权衡与取舍。当你能像庖丁一样洞察内核的“天理”时，无论是调试问题还是优化性能，都将游刃有余，这才是本书真正的价值所在。

本文由nayona.cn整理

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