Linux 2.6内核分析及编程

第1章数据类型及链表1

1.1数据类型所占空间1

1.2有关移植性的其他问题3

1.2.1时间间隔3

1.2.2页面大小3

1.2.3字节存储顺序3

1.2.4数据对齐4

1.3内核通用链表4

1.3.1hlist哈希链表7

1.3.2RCU操作保护的链表8

1.4AT&T的汇编格式9

1.5内核中的时间延迟11

第2章进程及进程调度13

2.1进程结构13

2.2进程创建24

2.2.1对象缓存的分配24

2.2.2系统调用sys_fork25

2.3内核线程26

2.4工作队列27

2.4.1工作队列的结构及宏定义28

2.4.2工作队列的建立29

2.5进程调度33

2.5.1runqueue结构34

2.5.2进程调度初始化36

2.5.3负载平衡的启动38

2.5.4负载平衡的方法42

2.5.5函数schedule分析46

2.5.6调度器的实时性能51

2.6Linux内核抢占51

第3章内核同步机制55

3.1内核中的互斥机制55

3.1.1自旋锁55

3.1.2原子操作59

3.1.3信号量60

3.2RCU64

3.2.1RCU原理介绍64

3.2.2RCU应用实例66

3.2.3RCU相关数据结构67

3.2.4内核RCU机制的建立68

3.2.5RCU回调处理73

3.3内核与用户空间的通信机制74

3.3.1热插拔操作74

3.3.2内核发消息到用户空间通信机制75

3.3.3内核空间调用用户空间程序78

第4章内存管理81

4.1内存地址类型和内存保护82

4.1.1地址类型82

4.1.2内存保护83

4.280386的段页式管理机制84

4.2.1描述符及分段84

4.2.2物理内存分页机制85

4.3IA-64Linux地址空间划分86

4.4进程的内存组织88

4.4.1内存管理的数据结构88

4.4.2VMA在/proc文件系统中的显示90

4.5虚拟内存管理91

4.5.1大容量对象缓存91

4.5.2内存映射94

4.5.3物理内存的反向映射110

4.5.4虚拟内存的加锁和保护113

4.6物理内存管理114

4.6.1物理内存的结构114

4.6.2物理页位图116

4.6.3物理内存的初始化过程117

4.6.4物理页面的分配和回收121

4.6.5缓存及slab125

4.6.6缓存分配的应用129

4.6.7分配缓存函数的分析129

4.6.8交换空间135

4.6.9请页机制137

4.6.10守护进程kswapd139

4.6.11内存管理相关的高速缓存144

4.6.12内存缓冲池144

4.6.13大块内存页147

第5章虚拟文件系统149

5.1VFS的超级块.dentry和节点结构150

5.2与进程联系的文件系统相关结构153

5.3系统有关操作函数集的结构155

5.3.1super_operations155

5.3.2inode_operations156

5.3.3file_operations156

5.3.4dquot_operations157

5.4文件系统的建立过程157

5.5文件系统的注册.安装与卸载159

5.5.1文件系统的注册159

5.5.2文件系统的安装与卸载160

5.6文件系统的系统调用过程160

5.6.1系统调用open161

5.6.2read系统调用170

5.7文件系统的各种缓存172

5.7.1块缓存buffer172

5.7.2inode缓存182

5.7.3目录条目dentry缓存185

5.8缓存同步操作——sys_sync系统调用189

5.8.1多个节点同步回写操作函数

5.8.1sync_inodes189

5.8.2单个节点同步回写操作函数sync_inodes_sb190

5.8.3节点地址空间数据回写操作函数194

5.8.4块设备节点映射的数据同步回写

5.8.4函数sync_blockdev200

5.9pdflush线程池203

5.9.1pdflush线程池的实现203

5.9.2pdflush线程使用实例

5.9.2——wakeup_bdflush206

5.10限额机制207

第6章EXT2文件系统208

6.1EXT2文件系统的几个数据结构210

6.1.1EXT2超级块210

6.1.2EXT2超级块信息结构211

6.1.3超级块的操作函数结构212

6.1.4EXT2的索引节点inode212

6.1.5EXT2文件系统的节点信息结构214

6.1.6节点操作函数结构215

6.1.7文件操作函数结构215

6.1.8EXT2文件系统的组描述符215

6.2EXT2文件系统建立过程215

6.3ext2_read_inode函数分析220

6.4ext2_write_inode函数分析221

6.5文件的读写223

6.6文件扩展时的数据块分配策略228

6.7EXT2的目录项及文件的定位234

6.8链接文件237

第7章其他文件系统238

7.1ramfs内存文件系统238

7.1.1ramfs文件系统模块初始化238

7.1.2ramfs文件系统操作函数集240

7.1.3文件读写操作240

7.1.4目录及节点操作函数集241

7.2/proc文件系统242

7.2.1/proc文件系统在调试中的作用243

7.2.2/proc文件系统实现分析245

7.2.3在/proc中读写设备信息示例250

7.3VFAT文件系统255

7.3.1FAT文件系统的组成255

7.3.2引导记录区DBR及定义256

7.3.3FAT文件系统结构定义260

7.3.4VFAT文件系统的注册超级块261

7.3.5超级块操作函数集的实现264

7.3.6目录操作函数集265

7.4Devfs文件系统270

7.5sysfs文件系统275

7.5.1内核对象相关结构276

7.5.2sysfs文件系统的建立过程277

7.5.3sysfs提供给对象模型的调用函数278

7.5.4sysfs建立bus子系统280

7.5.5bus子系统的接口函数282

7.5.6在sysfs中建立pci目录示例283

第8章I/O端口资源管理288

8.1I/O资源的描述288

8.1.1内存屏障289

8.1.2资源管理函数290

8.2中断处理295

8.2.1硬件提供的中断机制295

8.2.2Linux的中断处理297

8.2.3中断向量的设置和相关数据的

8.2.3初始化298

8.2.4中断处理全过程299

8.2.5tasklet机制303

8.2.6中断处理在/proc文件系统中的报告311

8.2.7并口中断处理程序示例311

8.3DMA315

8.3.1DMA控制器硬件结构315

8.3.2DMA通道使用的地址316

8.3.3DMA操作函数317

8.3.4DMA映射318

8.3.5DMA池321

8.3.6一个简单的使用DMA例子324

8.4电源管理325

8.4.1ACPI规范介绍326

8.4.2ACPI的一些基本概念328

8.4.3ACPI的运行329

8.4.4ACPI驱动程序分析332

8.4.5pci的ACPI电源管理的实现337

8.4.6APM电源管理模式341

第9章模块机制348

9.1简单模块示例348

9.2内核空间和用户空间349

9.2.1处理器保护级349

9.2.2用户空间和内核空间权限350

9.2.3用户空间和内核空间范围及函数

9.2.3参数传递350

9.2.4内核态和用户态之间数据传递352

9.3模块的使用过程353

9.4实现机制354

9.4.1模块在/proc文件系统中的显示354

9.4.2模块结构354

9.4.3模块数据宏操作356

9.4.4实现函数的分析359

9.5modutils介绍369

第10章设备驱动程序371

10.1设备文件及设备访问方式372

10.1.1轮询与中断372

10.1.2直接内存访问（DMA）372

10.1.3设备驱动使用内存372

10.1.4设备文件及接口372

10.2设备驱动程序模型374

10.2.1驱动模型中的描述结构374

10.2.2驱动程序向新的模型上迁移383

10.2.3即插即用386

10.2.4文件系统中与设备驱动相关

10.2.4的结构389

10.3字符设备操作过程390

10.4块设备伪文件系统393

10.4.1块设备文件系统初始化393

10.4.2文件操作函数集394

10.5通用硬盘GENHD398

10.6通用块层403

10.6.1bio相关结构404

10.6.2bio_vec池405

10.6.3碎片链表406

10.6.4请求及请求队列结构407

10.6.5通用的命令标志请求410

10.6.6I/O调度器411

10.7块设备的读写请求队列及提交过程415

10.7.1初始化块设备的请求队列415

10.7.2块设备读写请求的传递过程417

10.8IOCTL设备控制操作423

10.9编写设备驱动程序的基本步骤425

10.9.1如何添加一个字符设备425

10.9.2如何添加一个块设备425

第11章FLASH闪存及SD/MMC卡设备

第11章驱动程序427

11.1MTD内存技术设备427

11.1.1MTD内存技术设备层次结构428

11.1.2设备层和原始设备层的函数

11.1.2调用关系430

11.1.3MTD相关结构430

11.1.4MTD块设备初始化432

11.1.5MTD块设备的读写操作439

11.1.6MTD核心初始化442

11.1.7MTD字符设备443

11.1.8具体flash芯片的探测及映射444

11.1.9驱动程序实例分析447

11.2SD/MMC卡块设备驱动程序449

11.2.1MMC抽象设备层相关结构449

11.2.2MC抽象设备层MMC块设备

11.2.2驱动程序453

11.2.3具体MMC控制器驱动程序示例462

第12章Linux系统初始化468

12.1BootLoader468

12.1.1PC的BootLoader468

12.1.2嵌入式系统BootLoader473

12.2Linux内核启动过程478

第13章系统调用481

13.1设定0x80号中断481

13.2系统调用现场保护482

13.3Linux系统调用的流程484

13.3.1系统调用过程484

13.3.2中断INT0x80入口处理484

第14章Linux网络系统分层结构488

14.1Linux网络系统分层结构488

14.2数据包结构489

14.2.1msghdr结构489

14.2.2socket结构490

14.2.3sk_buff结构及管理490

14.2.4sock结构495

14.3sockfs文件系统497

14.4利用socket通信499

14.4.1socket层500

14.4.2IP层收发数据包函数506

14.4.3网络核心层513

14.5网卡驱动程序525

14.5.1NAPI525

14.5.28139CP网卡驱动程序526

14.6netlink533

14.6.1内核netlink调用函数535

14.6.2示例536

第15章执行文件的运行过程544

15.1动态链接与静态链接544

15.2位置无关代码（PIC）的汇编

15.2语言编程548

15.3可执行文件格式550

15.3.1a.out文件格式分析550

15.3.2COFF文件格式分析551

15.3.3ELF文件格式分析552

15.3.4符号的重定位557

15.3.5ELF文件加载过程558

15.4可执行文件加载代码分析559

第16章进程间通信567

16.1管道567

16.2消息队列575

16.2.1消息队列结构575

16.2.2消息队列文件系统576

16.2.3消息队列系统调用函数579

16.3共享内存585

16.3.1共享内存相关结构586

16.3.2tmpfs文件系统587

16.3.3共享内存系统调用593

16.4信号599

16.4.1信号相关的结构600

16.4.2设置信号响应601

16.4.3信号分发603

16.4.4信号响应607

16.5用户空间信号量操作610

16.5.1信号量相关结构610

16.5.2系统调用函数的实现611

第17章Linux的安全策略618

17.1Linux常用安全技术618

17.1.1PAM机制618

17.1.2入侵检测系统618

17.1.3加密文件系统619

17.1.4安全审计620

17.1.5基于ACL的自主访问控制620

17.1.6强制访问控制621

17.1.7防火墙621

17.2Linux能力机制621

17.3Flask安全体系结构概述622

17.4SELinux安全策略配置语言624

17.4.1基本概念625

17.4.2Linux与SELinux在安全管理

17.4.2上的区别626

17.4.3安全模型626

17.4.4策略语言及配置样例626

17.5SELinux的内部结构634

17.6SELinux的实现636

17.6.1任务的安全管理637

17.6.2AVC分析640

17.6.3security_compute_av函数644

17.7策略库的结构647

17.7.1sidtab结构648

17.7.2symtab结构649

17.7.3avtab结构649

17.7.4class_datum结构649

17.7.5role_datum结构650

17.7.6user_datum结构651

17.7.7role_tran结构651

17.7.8cond_node结构652

17.8安全审计的管理653

17.9sel_fs文件系统654

17.10防火墙660

17.10.1Netfilter框架661

17.10.2iptables管理工具662

17.10.3Netfilter例子663

第18章内核配置与编译664

18.1配置文件的生成664

18.2配置语言665

18.3主Makefile分析667

18.3.1主Makefile中的分析667

18.3.2嵌入式内核的交叉编译671

18.4Rule.make及子目录编译673

18.4.1编译选项变化引起增量编译673

18.4.2子目录的编译673

18.4.3Rule.make分析674

18.4.4驱动程序配置示例680

第19章Linux内核调试683

19.1strace命令683

19.2oops消息分析683

19.3调试工具684

19.4printk打印调试688

19.4.1printk688

19.4.2如何记录消息689

19.4.3sys_syslog系统调用690

19.4.4printk函数分析692

19.4.5控制台694

19.4.6tty代码分析695

19.4.7tty_register_ldisc函数701

19.5ptrace调试跟踪702

19.5.1调试寄存器702

19.5.2TSS中的调度陷阱704

19.5.3INT3704

19.5.4程序的单步执行705

19.5.5ptrace系统调用705

19.5.6系统调用跟踪710

19.5.7调试陷阱处理711

19.5.8调试器运行方法712

第20章USB总线驱动程序715

20.1USB的拓朴结构715

20.2USB2.0协议717

20.2.1包标志符及传输控制概述717

20.2.2总线枚举718

20.2.3USB设备请求719

20.2.4描述符719

20.2.5OTG规范720

20.3USB总线驱动程序结构722

20.3.1USB主机驱动程序的体系722

20.3.2USB驱动程序的编写723

20.3.3设备结构间的关系725

20.4USB驱动程序初始化727

20.5usbfs文件系统729

20.5.1usbfs文件系统初始化729

20.5.2usbfs文件操作731

20.6USB请求块（URB）732

20.6.1URB结构732

20.6.2URB的操作733

20.7同步消息处理735

20.7.1同步请求完成模型736

20.7.2控制与查询737

20.8用主机控制器驱动层（HCD层）737

20.8.1USB总线的注册与注销738

20.8.2HCD操作函数739

20.8.3注册根集线器741

20.9集线器Hub741

20.9.1Hub初始化742

20.9.2Hub设备的各种事件处理744

20.9.3ehci-hcd控制器752

20.10USB大存储设备758

20.10.1Bulk-Only传输协议759

20.10.2SCSI体系结构模型及命令描述块761

20.10.3大存储类主机驱动程序765

20.11USB从设备驱动程序（Gadget）779

20.11.1Gadget相关结构781

20.11.2GadgetAPI783

20.11.3pxa2xx控制器786

20.11.4gadgetfs文件系统794

20.11.5大存储设备驱动程序804

附录ALinux系统调用819

主要参考文献823

本书作者在整理自己多年研发笔记的基础上，以精心挑选的典型开发实例，向读者详细讲述了Linux内核源代码的各部分结构、原理及组成框架，主要分析了Linux最新版本（2.6.11）的内核源代码，帮助读者深入理解Linux内核，精通Linux内核编程。全书分为20章，内容包括进程管理、进程间通信、内存管理、文件系统、I/O接口及资源管理、内核的编译及调试原理、网络通信、内核安全、USB驱动程序等。
　　对于想了解Linux开发，以及从事Linux内核编程的开发人员来说，本书是一本集大成之作，它既有讲解透彻的原理，也有详细实用的示例，更有作者多年从事实际开发工作的心得。本书主要针对从事Linux内核编程的中高级读者及软件工程师，也很合适作为大学教材和参考书。