本书基于Linux 2.6.34内核详细介绍了Linux内核系统，覆盖了从核心内核系统的应用到内核设计与实现等各方面内容。主要内容包括：进程管理、进程调度、时间管理和定时器、系统调用接口、内存寻址、内存管理和页缓存、VFS、内核同步以及调试技术等。同时本书也涵盖了Linux 2.6内核中颇具特色的内容，包括CFS调度程序、抢占式内核、块I/O层以及I/O调度程序等。本书采用理论与实践相结合的路线，能够带领读者快速走进Linux内核世界，真正开发内核代码。本书适合作为高等院校操作系统课程的教材或参考书，也可供相关技术人员参考。

本书作者罗伯特·洛夫（Robert Love）是资深的开源软件开发者，也是Linux内核核心开发人员，目前是谷歌云的高级工程总监。他在本书分享了在开发Linux 2.6内核过程中颇具价值的知识和经验，使得本书成为讲解Linux内核设计的经典佳作，填补了Linux内核理论和实践之间的鸿沟。本书译者陈莉君教授多年来深入研究Linux内核相关理论以及技术，致力于推动Linux在中国的发展，著译了多部Linux内核方面的著作，曾两次获得中国开源软件推进联盟颁发的“开源杰出贡献”奖。书中详细描述了Linux内核的设计与实现以及主要子系统和特点，包括Linux内核的设计、实现和接口。从理论到实践涵盖了Linux内核的方方面面，可以满足读者的各种兴趣和需求。内核代码的编写者、开发者以及程序开发人员都可以通过阅读本书受益，更好理解操作系统原理，并将其应用在自己的编码中以提高效率和生产率。

前　　言

在我刚开始有把自己的内核开发经验结集成册，撰写一本书的念头时，我其实也觉得有点头绪繁多，不知道该从何下手。我实在不想落入传统内核书籍的窠臼，照猫画虎地再写这么一本。不错，前人著述备矣，但我终归是要写出点儿与众不同的东西来。我的书该如何定位，说实话，这确实让人颇费思量。
后来，灵感终于浮现出来，我意识到自己可以从一个全新的视角看待这个主题。开发内核是我的工作，同时也是我的嗜好，内核就是我的挚爱。这些年来，我不断搜集与内核有关的奇闻逸事，不断积攒关键的开发诀窍。依靠这些日积月累的材料，我可以写一本关于开发内核该做什么，更重要的是不该做什么的书籍。从本质上说，这本书仍旧是描述Linux内核是如何设计和实现的，但是写法却另辟蹊径，所提供的信息更倾向于实用。通过本书，你就可以做一些内核开发的工作了—并且是使用正确的方法去做。我是一个注重实效的人，因此，这是一本实践的书，它应当有趣、易读且有用。
我希望读者可以从这本书中领略到更多Linux内核的精妙之处（写出来的和没写出来的），也希望读者敢于从阅读本书和读内核代码开始跨越到开始尝试开发可用、可靠且清晰的内核代码。当然如果你仅仅是兴致所至，读书自娱，那也希望你能从中找到乐趣。
从第1版到现在，又过了一段时间，我们再次回到本书，修补遗憾。本版比第1版和第2版内容更丰富：修订、补充并增加了新的内容和章节，使其更加完善。本版融合了第2版以来内核的各种变化。更值得一提的是，Linux内核联盟做出决定，近期内不进行2.7版内核的开发，于是，内核开发者打算继续开发并稳定2.6版。这个决定意味深长，而本书从中的最大受益就是在2.6版上可以稳定相当长时间。随着内核的成熟，内核“快照”才有机会能维持得更久远一些。本书可作为内核开发的规范文档，既认识内核的过去，也着眼于内核的未来。
使用这本书
开发Linux内核不需要天赋异禀，不需要有什么魔法，连UNIX开发者普遍长着的络腮胡子都不一定要有。内核虽然有一些有趣并且独特的规则和要求，但是它和其他大型软件项目相比，并没有太大差别。像所有的大型软件开发一样，要学的东西确实不少，但是不同之处在于数量上的积累，而非本质上的区别。
认真阅读源码非常有必要，Linux系统代码的开放性其实是弥足珍贵的，不要无动于衷地将它搁置一边，浪费了大好资源。实际上读了代码还远远不够，你应该钻研并尝试着动手改动一些代码。寻找一个bug然后去修改它，改进你的硬件设备的驱动程序，增加新功能—即使看起来微不足道，寻找痛痒之处并解决。只有动手写代码才能真正融会贯通。
内核版本
本书基于Linux 2.6内核系列。它并不涵盖早期的版本，当然也有一些例外。比如，我们会讨论2.4系列内核中的一些子系统是如何实现的，这是因为简单的实现有助于传授知识。特别说明的是，本书介绍的是Linux 2.6.34内核版本。尽管内核总在不断更新，任何努力也难以捕获这样一只永不停息的“猛兽”，但是本书力图适合于新旧内核的开发者和用户。
虽然本书讨论的是2.6.34内核，但我也确保了它同样适用于2.6.32内核。后一个版本往往被各个Linux发行版本奉为“企业版”内核，所以我们可以在各种产品线上见到其身影。该版本确实已经开发了数年（类似的“长线”版本还有 2.6.9、2.6.18和2.6.27等）。
读者范围
本书是写给那些有志于理解Linux内核的软件开发者的。本书并不逐行逐字地注解内核源代码，也不是指导开发驱动程序或内核API的参考手册（如果存在标准的内核API的话）。本书的初衷是提供足够多的关于Linux内核设计和实现的信息，希望读过本书的程序员能够拥有较为完备的知识，可以真正开始开发内核代码。无论开发内核是为了兴趣还是为了赚钱，我都希望能够带领读者快速走进Linux内核世界。本书不但介绍了理论而且也讨论了具体应用，可以满足不同读者的需要。全书紧紧围绕着理论联系实践，并非一味强调理论或者实践。无论你研究Linux内核的动机是什么，我都希望这本书能将内核的设计和实现分析清楚，起到抛砖引玉的作用。
因此，本书覆盖了从核心内核系统的应用到内核设计与实现等各方面的内容。我认为这点很重要,值得花工夫讨论。例如,第8章讨论的是所谓的下半部机制。本章分别讨论了内核下半部机制的设计和实现（核心内核开发者或者学者会感兴趣），随即便介绍了如何使用内核提供的接口实现你自己的下半部（这对设备驱动开发者可能很有用处）。其实，我认为上述两部分内容是相得益彰的，虽然核心内核开发者主要关注的问题是内核内部如何工作，但是也应该清楚如何使用接口；同样，如果设备驱动开发者了解了接口背后的实现机制，自然也会受益匪浅。
这好比学些库的API函数与研究该库的具体实现。初看，好像应用程序开发者仅仅需要理解API—我们被灌输的思想是应该像看待黑盒子一样看待接口，库的开发者也只关心库的设计与实现，但是我认为双方都应该花时间相互学习。能深刻了解操作系统本质的应用程序开发者无疑可以更好地利用它。同样，库开发者也不应该脱离基于

罗伯特·洛夫（Robert Love）资深的开源软件开发者，很早就开始使用Linux。目前是谷歌云的高级工程总监，在那里构建了全球范围的网络产品。在此之前，他曾是Toast的工程副总裁，开发Android移动平台内核的团队成员，Novell公司Linux桌面系统首席架构师。
他参与的内核项目包括抢占式内核、进程调度器、内核事件层、通知机制、VM改进，以及设备驱动程序。他曾是Linux Journal杂志的编辑。除本书之外，他还著有Linux System Programming和Linux in a Nutshell。

目　　录

译者序
序　言
前　言
第3版致谢
作者简介

第1章　Linux内核简介1
1.1　UNIX的历史1
1.2　追寻Linus足迹：Linux简介2
1.3　操作系统和内核简介3
1.4　Linux内核和传统UNIX内核的
比较5
1.5　Linux内核版本7
1.6　Linux内核开发者社区8
1.7　小结8
第2章　从内核出发10
2.1　获取内核源码10
2.1.1　使用Git10
2.1.2　安装内核源代码10
2.1.3　使用补丁11
2.2　内核源码树11
2.3　编译内核12
2.3.1　配置内核12
2.3.2　减少编译的垃圾信息14
2.3.3　衍生多个编译作业 14
2.3.4　安装新内核14
2.4　内核开发的特点15
2.4.1　无libc库抑或无标准头文件15
2.4.2　GNU C16
2.4.3　没有内存保护机制18
2.4.4　不要轻易在内核中使用浮点数18
2.4.5　容积小而固定的栈18
2.4.6　同步和并发18
2.4.7　可移植性的重要性19
2.5　小结19
第3章　进程管理20
3.1　进程20
3.2　进程描述符及任务结构 21
3.2.1　分配进程描述符22
3.2.2　进程描述符的存放23
3.2.3　进程状态23
3.2.4　设置当前进程状态25
3.2.5　进程上下文25
3.2.6　进程家族树25
3.3　进程创建26
3.3.1　写时拷贝27
3.3.2　fork()27
3.3.3　vfork()28
3.4　线程在Linux中的实现28
3.4.1　创建线程29
3.4.2　内核线程30
3.5　进程终结31
3.5.1　删除进程描述符32
3.5.2　孤儿进程造成的进退维谷32
3.6　小结34
第4章　进程调度35
4.1　多任务35
4.2　Linux 的进程调度36
4.3　策略36
4.3.1　I/O消耗型和处理器消耗型的
进程36
4.3.2　进程优先级37
4.3.3　时间片38
4.3.4　调度策略的活动38
4.4　Linux调度算法39
4.4.1　调度器类39
4.4.2　UNIX 系统中的进程调度40
4.4.3　公平调度41
4.5　Linux调度的实现42
4.5.1　时间记账42
4.5.2　进程选择44
4.5.3　调度器入口48
4.5.4　睡眠和唤醒49
4.6　抢占和上下文切换51
4.6.1　用户抢占53
4.6.2　内核抢占53
4.7　实时调度策略54
4.8　与调度相关的系统调用54
4.8.1　与调度策略和优先级相关的
系统调用55
4.8.2　与处理器绑定有关的系统调用55
4.8.3　放弃处理器时间56
4.9　小结56
第5章　系统调用57
5.1　与内核通信57
5.2　API、POSIX和C库57
5.3　系统调用58
5.3.1　系统调用号59
5.3.2　系统调用的性能59
5.4　系统调用处理程序60
5.4.1　指定恰当的系统调用60
5.4.2　参数传递60
5.5　系统调用的实现61
5.5.1　实现系统调用61
5.5.2　参数验证62
5.6　系统调用上下文64
5.6.1　绑定一个系统调用的最后步骤65
5.6.2　从用户空间访问系统调用67
5.6.3　为什么不通过系统调用的
方式实现68
5.7　小结68
第6章　内核数据结构69
6.1　链表69
6.1.1　单向链表和双向链表69
6.1.2　环形链表70
6.1.3　沿链表移动71
6.1.4　Linux 内核中的实现71
6.1.5　操作链表73
6.1.6　遍历链表75
6.2　队列78
6.2.1　kfifo79
6.2.2　创建队列79
6.2.3　推入队列数据79
6.2.4　摘取队列数据80
6.2.5　获取队列长度80
6.2.6　重置和撤销队列80
6.2.7　队列使用举例 81
6.3　映射 81
6.3.1　初始化一个idr82
6.3.2　分配一个新的UID82
6.3.3　查找UID83
6.3.4　删除UID84
6.3.5　撤销idr84
6.4　二叉树84
6.4.1　二叉搜索树84
6.4.2　自平衡二叉搜索树 85
6.5　数据结构以及选择 87
6.6　算法复杂度88
6.6.1　算法88
6.6.2　大o 符号88
6.6.3　大θ符号89
6.6.4　时间复杂度89
6.7　小结 90
第7章　中断和中断处理91
7.1　中断91
7.2　中断处理程序92
7.3　上半部与下半部的对比93
7.4　注册中断处理程序93
7.4.1　中断处理程序标志94
7.4.2　一个中断例子95
7.4.3　释放中断处理程序95
7.5　编写中断处理程序96
7.5.1　共享的中断处理程序97
7.5.2　中断处理程序实例97
7.6　中断上下文99
7.7　中断处理机制的实现100
7.8　/proc/interrupts102
7.9　中断控制103
7.9.1　禁止和激活中断103
7.9.2　禁止指定中断线105
7.9.3　中断系统的状态105
7.10　小结106
第8章　下半部和推后执行的
工作107
8.1　下半部107
8.1.1　为什么要用下半部108
8.1.2　下半部的环境108
8.2　软中断110
8.2.1　软中断的实现111
8.2.2　使用软中断113
8.3　tas