深入Linux内核架构与底层原理 pdf下载

解释透彻。Linux发展至今已经超过25年，源代码融合了不同时期的演进和变化，本书回顾了当时的背景，有助于读者清晰了解源代码作者的意图和目标。

实践性强。在技术领域，实践往往能加深读者对相关概念的理解，本书中的很多案例都可以作为实验，感兴趣的读者可在单机环境或者虚拟机环境完成。

指路明灯。本书展示代码背后的思想，以及作者对其思考后的理解，这比单纯的技术讲解更有营养价值，同时也鼓励读者在阅读时形成自己的见解，学会查阅相关的技术资料。

本书主要描述Linux系统的总体框架和设计思想，包含很多可以直接操作的实例。编写本书的目的是希望读者对Linux系统背后的逻辑有一个全面的了解。本书对比较核心且常用的技术点有更加深入的解释，对实际使用Linux系统工作大有裨益，同时，选择重点的方向进行源码级深度分析，包含大量的案例，而且增加了与Windows同类操作系统的对比，涉及Fuchsia?OS和Android系统的一些实现，对操作系统的描述更清晰。 本书适合Linux系统开发人员、嵌入式系统开发人员阅读，也可供计算机相关专业的师生阅读。

刘京洋，从事Linux内核相关研发十余年，工作内容包括对内核子系统的实际产业应用。尤其擅长网络研发与性能调优，对Linux之外的操作系统同样兴趣浓厚。目前，在腾讯前沿技术中心从事云游戏研发工作。

身处这巨变的世界，有人选择做观众，有人选择做棋手。这是操作系统领域难得的一本基础的工具型技术手册，文字和代码不仅体现了作者在技术上的高度，而且体现出作者在科技创新领域的担当与高维度思考。我从事科技创新领域的风投工作已有十余年，见到的成果大部分都是具体技术从书架到货架的过程，而本书作者放弃在商业领域的机遇，选择十年如一日地在操作系统国产化道路上耕耘，向作者及所有坚持科技底层创新的工程师致敬！期待读者通过本书进入“棋手”的世界，共筑中国科技底层创新之路！

孙德寿

温氏投资董事总经理

本书作者有多年内核研发经验，对Linux 内核架构、原理、机制进行了深入解读。和业界同类书相比，本书在剖析代码的同时增加了很多实战案例，相信无论是对内核工程师还是爱好者都大有裨益。

代雷

华为RTOS首席架构师

京洋在读书期间就已展现出对计算机系统底层架构的浓厚兴趣和超强理解力，工作后更是在行业内深耕实战多年，希望他的这部“心血之作”可以为你打开一扇思维之门，洞见计算机世界！

黄晓

中山大学副教授

作者在Linux内核方面有着多年的研究和实践经验，对内核各个子模块的设计与原理进行了非常清晰的阐述，可以很好地帮助读者阅读Linux内核源码。本书对内核4.x、5.x等新版本在各个模块上的改进点及改进原因做了详细的解读和说明，对从事相关软件开发工作的读者会有很大的帮助。

孙汉标

小米路由软件研发负责人，Linux内核与驱动专家

第1章 操作系统总览 1
1．1 操作系统简介 1
1．2 如何形成一个内核 4
1．3 主要操作系统与Linux的对比 6
1．3．1 Linux和Android 6
1．3．2 Windows下Linux运行环境的发展 8
1．3．3 Fuchsia OS与Windows、Linux的对比 9
第2章 系统结构 15
2．1 Linux内核整体结构 15
2．1．1 内核模块 17
2．1．2 内核符号表 23
2．2 Linux内核数据结构 25
2．2．1 链表与哈希表 25
2．2．2 双向链表 26
2．3 hlist 28
2．3．1 llist 34
2．3．2 树与IDR 37
2．3．3 xarray 38
第3章 锁与系统调用 46
3．1 原子操作 47
3．1．1 内存一致性 51
3．1．2 原子类型定义 54
3．1．3 cmpxchg实现 56
3．2 引用计数 60
3．3 自旋锁 65
自旋锁的性能 77
3．4 读写锁与顺序锁 79
3．5 信号量 82
3．6 读写信号量 86
3．6．1 获得读锁 87
3．6．2 锁状态与锁交接 90
3．6．3 锁持有 92
3．6．4 等待链表 94
3．6．5 读锁慢速路径 99
3．7 互斥锁 103
3．8 RCU锁 110
3．8．1 RCU锁基本接口 114
3．8．2 grace period等待 115
3．8．3 SRCU 117
3．8．4 RCU锁、读写锁与顺序锁对比 118
3．8．5 hlist中的RCU锁 119
3．8．6 reuseport中的RCU锁 121
3．9 引用计数 123
percpu-ref 124
第4章 信号、中断与系统调用 129
4．1 信号 129
4．1．1 Linux信号处理机制的设计 129
4．1．2 Windows的Event语义设计 139
4．2 中断 141
4．2．1 IDT（中断描述符表） 141
4．2．2 IPI中断 148
4．3 系统调用 156
4．3．1 系统调用原理 156
4．3．2 vsyscall与VDSO 163
4．3．3 系统调用截断 168
第5章 Linux系统的启动与进程 171
5．1 Linux启动过程的组件 171
5．1．1 启动过程相关组件 171
5．1．2 最小系统的制作和启动 182
5．2 内核启动流程：EFI stub 183
5．3 进程 199
5．3．1 进程概述 199
5．3．2 进程内存和PID 201
5．3．3 进程生命周期 205
第6章 调度 220
6．1 任务调度 220
6．1．1 调度优先级 220
6．1．2 上下文切换 223
6．1．3 运行队列与调度类 228
6．1．4 调度域、调度组与调度实体 230
6．1．5 TTWU（唤醒） 239
6．2 时钟 244
6．2．1 时钟概念 244
6．2．2 计时器与定时器 248
6．3 Futex系统调用 256
6．4 C-State 263
第7章 内存管理 275
7．1 地址空间 275
7．1．1 64位Linux地址空间 275
7．1．2 32位Linux地址空间 276
7．2 寻址 280
7．2．1 64位下的寻址 280
7．2．2 Intel的硬件四级寻址过程 284
7．2．3 操作系统的页状态和权限控制 291
7．2．4 页框回收算法 293
7．2．5 段寄存器 301
7．3 堆内存管理 306
7．3．1 用户空间与内核空间的堆内存管理 306
7．3．2 Buddy思想与Slab思想 307
7．3．3 内存回收（PFRA） 314
7．3．4 BDI 316
第8章 存储 319
8．1 VFS 319
8．1．1 文件句柄与文件描述符表 319
8．1．2 _alloc_fd、fd_install、dup2与close_on_exec 322
8．1．3 open系统调用 325
8．1．4 flock文件锁与文件内容锁 328
8．2 通用块层 339
8．2．1 通用块层功能概览 339
8．2．2 bio和bio_set 342
8．2．3 request和request_queue 343
8．2．4 电梯算法 345
8．3 缓存层 354
8．3．1 Linux与Windows在缓存设计上的不同 354
8．3．2 Linux下的缓存机制 355
8．4 文件系统与Ext4 362
8．4．1 Linux文件系统的特性与框架 362
8．4．2 文件系统的种类 367
8．4．3 文件系统的抽象：VFS 372
8．4．4 Ext4文件系统实践 375
8．5 预读机制 383
8．5．1 预读机制框架 383
8．5．2 预读算法 388
第9章 套接字（socket） 393
9．1 socket概览 393
9．1．1 socket类型与接口 394
9．1．2 Linux socket连接模型 397
9．1．3 Linux socket的锁 398
9．1．4 epoll 400
9．2 Netlink 402
9．2．1 Netlink消息格式 402
9．2．2 Netlink功能模块 406
9．2．3 genetlink的使用 408
9．2．4 inet_diag模块 410
9．2．5 RTNETLINK 414
9．3 BPF与eBPF 418
9．3．1 BPF 419
9．3．2 eBPF 422
第10章 网络 430
10．1 网络架构 430
10．2 IP 434
10．2．1 路由条目的意义 434
10．2．2 IP管理 437
10．2．3 IP隧道 439
10．3 TCP 446
10．3．1 TCP的无损特性 446
10．3．2 TCP的连接状态 447
10．3．3 TCP拥塞控制 452
10．4 负载均衡 460
10．4．1 负载均衡的核心技术点 460
10．4．2 四层负载均衡常见架构 461
10．4．3 一致性哈希和分布式哈希 463
10．5 网络服务质量与安全性 465
10．5．1 TCP安全性 465
10．5．2 QoS 469
10．5．3 NAT 472
10．6 netfilter 475

第11章 设备管理 479
11．1 设备模型 479
11．1．1 sys文件系统 479
11．1．2 设备变化通知用户端 484
11．1．3 设备类型 485
11．2 tty子系统 491
11．2．1 tty框架与ttyS硬件 491
11．2．2 terminal硬件 493
11．2．3 tty结构 494
11．2．4 getty、login与shell 496
11．2．5 /dev/ptmx与/dev/pts/n 496
11．2．6 SSH 501
11．3 PCI与USB 502
11．3．1 PCI 502
11．3．2 USB 510
第12章 二进制 516
12．1 二进制原理 516
12．1．1 编译、链接与执行 516
12．1．2 裸程序 518
12．1．3 加载器 519
12．1．4 链接过程 523
12．2 ELF格式 525
12．2．1 ABI 525
12．2．2 ELF 529
12．3 函数调用约定 547
12．4 二进制安全 552

推 荐 序 一

Linux操作系统在超级计算机、互联网服务、桌面系统、移动和嵌入式设备等领域使用广泛，相关的从业人员和兴趣爱好者一直对Linux的理论和实践有较大需求。本人作为互联网领域的从业人员，非常荣幸可以提前阅读书中的内容。本书内容从内核层面出发，结合作者多年的实践，对各个子系统的设计、实现和演化进行梳理。我认为本书具有以下特点。

第一个特点是解释透彻。Linux发展至今已经超过25年，源代码融合了不同时期的演进和变化，回顾当时的背景，有助于清晰了解源代码作者的意图和目标。

第二个特点是实践性强。在技术领域，实践往往能加深读者对相关概念的理解，本书中的很多案例都可以作为实验，感兴趣的读者可在单机环境或者虚拟机环境完成。

第三个特点是指路明灯。Linux内核的子系统和模块非常多，覆盖的应用范围也很广，面面俱到显然是不现实的。作者希望更多地展示代码背后的思想，以及对其思考后的理解，这比单纯的技术讲解更有营养价值，同时也鼓励读者在阅读时形成自己的见解，学会查阅相关的技术资料。

第四个特点是与时俱进。近几年，业界利用Linux构建很多热点应用，本书在很多方面覆盖了Linux的新功能，对从业者有较大帮助。

总的来讲，本人阅读本书后收获颇丰，对工作也有很大帮助，希望其他读者也能从中获取价值。本人也是一名开源爱好者，感谢作者的辛勤付出，编写出这本内容详尽的Linux著作，希望Linux和其他开源社区发展得越来越好。

李文俊

推 荐 序 二

在当今移动互联网和人工智能技术快速发展的时代，无论是服务器端程序还是智能终端（手机、手表、电视）程序，Linux操作系统都是主流的操作系统，应用非常广泛。基于Linux内核衍生的发行版众多，包括OpenSuse、RedHat、CentOS、Ubuntu、Android等，在如此广泛的应用下，熟悉和理解Linux内核原理对于广大的Linux操作系统研发工程师就显得尤为重要。理解Linux系统内核原理可以帮助操作系统研发工程师在结合Linux的系统原理，充分利用操作系统资源和机制的基础上，设计出更稳定、更可靠、更高效的应用程序。同时，学习Linux内核设计（负载均衡、内存管理、网络框架等）可以指导我们设计更复杂的互联网技术架构。本书作者拥有多年的Linux内核研发工作经验，对Linux内核各个模块的原理进行了深入剖析，通过畅读本书，我有以下几方面体会。

第一，数据结构和算法解释详尽。数据结构和算法是程序设计和开发的基础，本书可以作为参考学习Linux内核数据结构设计的参考书。比如，第2章2.2节关于Linux内核数据结构，链表、哈希表和动态数组等数据结构；第10章关于路由查找的算法、拥塞控制算法和一致性哈希算法等。本书详细介绍了Linux内核的数据结构和算法，同时提供了大量的示例代码。

第二，内核原理和设计剖析透彻。Linux内核有非常多的经典设计，本书都进行了详细解释，非常清晰易懂。比如第10章第10.4节关于内核网络四层负载均衡架构、Netfilter过滤框架都是Linux经典的技术框架，本书对此剖析得很透彻；第12章关于Linux ELF的格式，对Linux程序编译、加载和运行的原理，都写得很清晰。

第三，内容实践性强，与时俱进。书中很多内容都来自作者多年研发工作的总结和实践积累。比如第12章第12.5节关于二进制安全性、攻击方式的分析，以及罗列的很多常用的二进制分析工具；第10章关于内核处理TCP连接，以及连接的断开、四元组、窗口大小来判断网络攻击等，都来自作者实践工作的总结。

总体来说，这是一本Linux内核原理解读的经典之作。本书一定能够深受广大Linux爱好者的喜爱！

韩方

OPPO安全与隐私部部长

互联网安全与隐私技术委员会负责人