本書對早期的Linux操作系統(tǒng)內核(v0.11)全部源代碼文件進行了詳細的注釋和說明，旨在讓讀者能夠在短時間內對Linux的工作機理獲得全面而深刻的理解，為進一步學習和研究Linux系統(tǒng)打下堅實的基礎。書中首先介紹了Linux系統(tǒng)的發(fā)展歷史，著重說明了各個內核版本之間的重要區(qū)別，給出了選擇0.11版作為研究對象的原因；然后依據(jù)內核源代碼的組織結構對所有代碼進行了詳細注釋。在注釋的同時，還介紹了讀者應該了解的相關知識，并給出了相關的硬件信息。本書還介紹了內核源代碼的組織結構及相互關系。
趙炯博士的Linux內核源碼書系列自從問世以來，在全國乃至世界范圍內產(chǎn)生了很大影響。第一批讀者受惠良多，早已成為IT大廠的中堅力量。20年過去了，Linux內核的體量發(fā)生了巨大變化，這更加凸顯了“從小內核學起”的理念的正確。閱讀本書，會幫助讀者少走彎路，快速理解Linux的精髓，早日成長為合格的開發(fā)人員和系統(tǒng)架構師。
本書是一本有關Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)內核工作原理的入門讀物，主要目標是使用盡量少的篇幅和有限的學習時間，對完整的Ｌｉｎｕｘ內核源代碼進行解剖，使讀者對操作系統(tǒng)的基本功能和實現(xiàn)方式有一個全面的理解。
目前已有的闡述Ｌｉｎｕｘ內核的書籍，均盡量選用最新Ｌｉｎｕｘ內核版本進行描述，但由于這些版本的內核源代碼龐大，只能對源代碼進行選擇性的講解，許多實現(xiàn)細節(jié)被忽略。本書則對完整的Ｌｉｎｕｘ內核源代碼進行了全面解剖。表面看來，本書對Ｌｉｎｕｘ早期內核版本注釋的內容似乎過時，但通過學習你會發(fā)現(xiàn)，利用本書學習Ｌｉｎｕｘ內核，由于源代碼短小精干，因此會有極高的學習效率，能夠做到事半功倍，快速入門，并為進一步選擇新內核學習打下堅實的基礎。
正如Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)的創(chuàng)始人Ｌｉｎｕｓ所說，要理解一個系統(tǒng)的真正運行機制，一定要閱讀其源代碼。系統(tǒng)本身是一個整體，具有很多看似不重要的細節(jié)。只有在詳細閱讀過完整的內核源代碼之后，才會對整個系統(tǒng)的運作過程有深刻的理解。以后再選擇較新內核源代碼進行學習時，也不會碰到大問題，基本上都能順利地理解新代碼的內容。
為了幫助讀者提高學習效率，作者通過對多個Ｌｉｎｕｘ內核版本進行比較和選擇，最終選擇了與目前Ｌｉｎｕｘ內核基本功能較為相近，又非常短小的０．１１版作為入門學習的最佳版本。０.１１版內核源代碼只有一萬四千行左右（３２５ＫＢ），其中包括的內容基本上都是Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)的精髓。
在閱讀本書時，讀者應該具備基本的有關８０ｘ８６處理器編程和相關外圍硬件的知識，還應具備使用Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)的初級技能。由于Linux最早是根據(jù)Ｍ．Ｊ．Ｂａｃｈ的《ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)設計》一書的基本原理開發(fā)的，因此若能適當參考該書，則更有利于對源代碼的理解。
在對每個程序進行描述時，我們首先說明程序的主要用途、輸入輸出參數(shù)以及與其他程序的關系，然后在程序中對代碼進行詳細注釋。注釋時對源代碼和原注釋不作任何改動。在代碼之后是對程序中出現(xiàn)的一些語句或硬件方面的相關知識進行說明。
本書所需的一些基本概念均分布在各章中，這樣編排主要是為了能夠使讀者方便地找到相關信息，而且在結合源代碼閱讀時，對一些基本概念能有更深的理解。另外，由于篇幅所限，我們對內核源代碼多數(shù)文件開始處的版權信息作了省略，但程序中的行號仍然按原來的編號。
最后要說明的是，當你已經(jīng)完全理解了本文解說的一切時，并不代表你已經(jīng)成為一個Ｌｉｎｕｘ行家了，你只是剛剛踏上Ｌｉｎｕｘ的征途，具有了成為一個Ｌｉｎｕｘ高手的初步知識。這時你應該去閱讀更多的源代碼。本書讀者群的定位是一些知曉Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)一般使用方法或具有一定編程經(jīng)驗，但比較缺乏閱讀目前最新內核源代碼的基礎，又急切希望能夠進一步理解類ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)內核工作原理和實際代碼實現(xiàn)的愛好者。在閱讀時可以參考為本書專門開設的網(wǎng)站ｗｗｗ．ｏｌｄｌｉｎｕｘ．ｏｒｇ。從中可以下載到很多學習資料和上機實習軟件，也可以進行在線討論。
趙炯，工學博士，計算機專家，Intel公司訪問學者，國際計算機仿真協(xié)會、上海市通信學會會員。研究方向為計算機通信。曾經(jīng)為本科、碩士和博士研究生開設《計算機網(wǎng)絡》、《計算機通信技術》、《計算機通信與工控網(wǎng)絡》、《微型計算機》和《計算機原理》等課程。參與國家自然科學基金項目“系統(tǒng)芯片在線測試與容錯技術研究”和上海市自然科學基金“基于節(jié)點主動控制的大規(guī)模復雜輸送系統(tǒng)控制模型研究”等工作。
前言
第1章概述1
1.1 Ｌｉｎｕｘ的誕生和發(fā)展1
1.1.1 ＵＮＩＸ、ＭＩＮＩＸ、ＧＮＵ和ＰＯＳＩＸ1
1.1.2 Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)的誕生和版本的變遷1
1.2 內容綜述3
1.3 本章小結5
1.4 習題6
第2章Ｌｉｎｕｘ內核體系結構7
2.1 Ｌｉｎｕｘ內核模式和體系結構7
2.2 Ｌｉｎｕｘ中斷機制9
2.3 Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)定時10
2.4 Ｌｉｎｕｘ內核進程控制11
2.4.1 任務數(shù)據(jù)結構11
2.4.2 進程運行狀態(tài)11
2.4.3 進程初始化12
2.4.4 創(chuàng)建新進程14
2.4.5 進程調度14
2.4.6 終止進程15
2.5 Ｌｉｎｕｘ內核對內存的使用方法16
2.6 Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)中堆棧的使用方法19
2.6.1 初始化階段19
2.6.2 任務的堆棧20
2.6.3 內核態(tài)與用戶態(tài)堆棧之間的切換21
2.7 Ｌｉｎｕｘ內核源代碼的目錄結構21
2.7.1 引導啟動程序目錄ｂｏｏｔ22
2.7.2 文件系統(tǒng)目錄ｆｓ22
2.7.3 頭文件主目錄ｉｎｃｌｕｄｅ23
2.7.4 內核初始化程序目錄ｉｎｉｔ23
2.7.5 內核程序主目錄ｋｅｒｎｅｌ24
2.7.6 內核庫函數(shù)目錄ｌｉｂ25
2.7.7 內存管理程序目錄ｍｍ26
2.7.8 編譯內核工具程序目錄ｔｏｏｌｓ26
2.8 內核系統(tǒng)與用戶程序的關系26
2.9 Ｌｉｎｕｘ內核的編譯實驗環(huán)境26
2.10 ｌｉｎｕｘ／Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件28
2.11 本章小結34
2.12 習題35
第3章內核引導啟動程序36
3.1 總體功能描述36
3.2 程序分析37
3.2.1 ｂｏｏｔｓｅｃｔ.ｓ程序37
3.2.2 ｓｅｔｕｐ.ｓ程序44
3.2.3 ｈｅａｄ.ｓ程序52
3.3 本章小結60
3.4 習題60
第4章內核初始化過程61
4.1 ｍａｉｎ.ｃ程序分析61
4.2 本章小結68
4.3 習題69
第5章進程調度與系統(tǒng)調用70
5.1 總體功能描述70
5.1.1 中斷處理程序70
5.1.2 系統(tǒng)調用處理相關程序71
5.2 程序分析72
5.2.1 ａｓｍ.ｓ程序72
5.2.2 ｔｒａｐｓ.ｃ程序77
5.2.3 ｓｙｓｔｅｍｃａｌｌ.ｓ程序83
5.2.4 ｍｋｔｉｍｅ.ｃ程序91
5.2.5 ｓｃｈｅｄ.ｃ程序92
5.2.6 ｓｉｇｎａｌ.ｃ程序103
5.2.7 ｅｘｉｔ.ｃ程序108
5.2.8 ｆｏｒｋ.ｃ程序112
5.2.9 ｓｙｓ.ｃ程序117
5.2.10 ｖｓｐｒｉｎｔｆ.ｃ程序122
5.2.11 ｐｒｉｎｔｋ.ｃ程序127
5.2.12 ｐａｎｉｃ.ｃ程序128
5.3 本章小結129
5.4 習題129
第6章輸入輸出系統(tǒng)——塊設備驅動程序130
6.1 總體功能描述130
6.1.1 塊設備請求項和請求隊列130
6.1.2 塊設備操作方式132
6.2 程序分析133
6.2.1 ｂｌｋ.ｈ文件133
6.2.2 ｈｄ.ｃ程序136
6.2.3 ｌｌｒｗｂｌｋ.ｃ程序149
6.2.4 ｒａｍｄｉｓｋ.ｃ程序154
6.2.5 ｆｌｏｐｐｙ.ｃ程序157
6.3 本章小結170
6.4 習題170
第7章輸入輸出系統(tǒng)——字符設備驅動程序171
7.1 總體功能描述171
7.1.1 終端驅動程序基本原理171
7.1.2 終端基本數(shù)據(jù)結構172
7.1.3 規(guī)范模式和非規(guī)范模式174
7.1.4 控制臺驅動程序175
7.1.5 串行終端驅動程序176
7.1.6 終端驅動程序接口177
7.2 程序分析177
7.2.1 ｋｅｙｂｏａｒｄ.Ｓ程序177
7.2.2 ｃｏｎｓｏｌｅ.ｃ程序191
7.2.3 ｓｅｒｉａｌ.ｃ程序210
7.2.4 ｒｓｉｏ.ｓ程序213
7.2.5 ｔｔｙ_ｉｏ.ｃ程序216
7.2.6 ｔｔｙ_ｉｏｃｔｌ.ｃ程序225
7.3 本章小結230
7.4 習題230
第8章數(shù)學協(xié)處理器231
8.1 ｍａｔｈｅｍｕｌａｔｉｏｎ.ｃ程序分析231
8.2 本章小結232
8.3 習題232
第9章文件系統(tǒng)233
9.1 總體功能描述233
9.1.1 ＭＩＮＩＸ文件系統(tǒng)233
9.1.2 高速緩沖區(qū)237
9.1.3 文件系統(tǒng)底層函數(shù)237
9.1.4 文件中數(shù)據(jù)的訪問操作237
9.2 程序分析239
9.2.1 ｂｕｆｆｅｒ.ｃ程序239
9.2.2 ｂｉｔｍａｐ.ｃ程序251
9.2.3 ｉｎｏｄｅ.ｃ程序255
9.2.4 ｓｕｐｅｒ.ｃ程序264
9.2.5 ｎａｍｅｉ.ｃ程序272
9.2.6 ｆｉｌｅｔａｂｌｅ.ｃ程序292
9.2.7 ｂｌｏｃｋｄｅｖ.ｃ程序292
9.2.8 ｆｉｌｅｄｅｖ.ｃ程序295
9.2.9 ｐｉｐｅ.ｃ程序297
9.2.10 ｃｈａｒｄｅｖ.ｃ程序300
9.2.11 ｒｅａｄｗｒｉｔｅ.ｃ程序303
9.2.12 ｔｒｕｎｃａｔｅ.ｃ程序306
9.2.13 ｏｐｅｎ.ｃ程序307
9.2.14 ｅｘｅｃ.ｃ程序312
9.2.15 ｓｔａｔ.ｃ程序322
9.2.16 ｆｃｎｔｌ.ｃ程序323
9.2.17 ｉｏｃｔｌ.ｃ程序325
9.3 本章小結326
9.4 習題326
第10章內存管理328
10.1 總體功能描述328
10.1.1 內存分頁管理機制328
10.1.2 Ｌｉｎｕｘ中內存的管理和分配331
10.1.3 寫時復制機制332
10.2 程序分析332
10.2.1 ｍｅｍｏｒｙ.ｃ程序332
10.2.2 ｐａｇｅ.ｓ程序345
10.3 本章小結346
10.4 習題346
第11章包含文件347
11.1 程序分析347
11.1.1 ｉｎｃｌｕｄｅ／目錄下的文件347
11.1.2 ａ.ｏｕｔ.ｈ文件347
11.1.3 ｃｏｎｓｔ.ｈ文件356
11.1.4 ｃｔｙｐｅ.ｈ文件356
11.1.5 ｅｒｒｎｏ.ｈ文件357
11.1.6 ｆｃｎｔｌ.ｈ文件359
11.1.7 ｓｉｇｎａｌ.ｈ文件360
11.1.8 ｓｔｄａｒｇ.ｈ文件362
11.1.9 ｓｔｄｄｅｆ.ｈ文件363
11.1.10 ｓｔｒｉｎｇ.ｈ文件363
11.1.11 ｔｅｒｍｉｏｓ.ｈ文件372
11.1.12 ｔｉｍｅ.ｈ文件379
11.1.13 ｕｎｉｓｔｄ.ｈ文件380
11.1.14 ｕｔｉｍｅ.ｈ文件385
11.1.15 ｉｎｃｌ
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