Linux内核设计的艺术：图解Linux操作系统架构设计与实现原理（第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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新设计团队 著

图书标签:

• Linux内核
• 操作系统
• 架构设计
• 内核设计
• 系统编程
• C语言
• 计算机科学
• 技术
• 图解
• 实现原理

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111421764

版次：2

商品编码：11243705

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2013-05-01

用纸：胶版纸

页数：468

正文语种：中文

编辑推荐

　　【畅销书】版权输出到美国、韩国和中国台湾，实现了中国计算机图书向美国输出的零的突破。英文版被MIT等100多所大学图书馆和美国国会图书馆收藏

　　对于操作系统而言，稳定且可靠地运行是最重要的。现行技术方案是将用户进程与用户进程之间、用户进程与操作系统之间进行分离，操作系统可以管理用户进程，但是用户进程之间不能互相干预，更不能“侵入”操作系统内核。然而这一切是如何实现的呢？用户程序和操作系统都是程序，使用的是同一个CPU、同一套指令集、同一个内存条，为什么会有这么大的区别呢？

　　绝妙之处在于操作系统的设计指导思想：主奴机制！

　　操作系统的设计者依托硬件，在主奴机制设计思想的指导下，把操作系统内核与用户进程间的关系设计为“主子”与“奴才”的关系。该指导思想贯穿整个操作系统设计的始终，涉及操作系统的方方面面。以内存管理为例，操作系统内核可以访问所有的内存空间，包括用户进程的内存空间，而用户进程则不能访问其他用户进程的内存空间，更不可能访问操作系统内核的内存空间。更有甚者，用户进程甚至不知道自身的代码以及所访问的内存究竟在物理内存中的什么位置……可以说，操作系统就是围绕着“主奴机制”这个设计指导思想实现的。

　　本书不仅在主奴机制等宏观的设计指导思想方面有独到的见解，而且对操作系统源代码的实现原理和编程技巧等微观内容的讲解与分析也细致入微。例如：

　　为什么操作系统的内核代码不是加载在0x00000的位置？

　　为什么 jmpi 0, 8中的“8”不能简单地当做阿拉伯数字“8”看待？

　　为什么用C语言写的操作系统却不是从main函数开始执行？

　　……

　　所有这些在同类书中可能都不曾提及的问题在本书中都有精彩的论述。

　　第1版与第2版的区别

　　结合广大读者的反馈意见和新设计团队对操作系统新的认识，第2版在第1版的基础上进行了大幅度的优化和重写，使得本书的内容更易于读者理解。主要改动如下：

　　第1版的第2章在第2版中被拆分为第2、3、4章，这样的拆分对操作系统启动部分的系统初始化、激活进程0、创建进程1、进程2的层次划分更清晰，各章内容的篇幅也更为均衡，阅读体验会更好。

　　根据读者的反馈，第2版中增加了一些示意图，更便于读者理解。

　　根据读者的要求，在源代码中增加了大量的注释，对操作系统的架构描述更直观，对源代码的讲解更细致。

内容简介

　　长期以来，新设计团队一直在为设计一个自主的、有所突破和创新的操作系统而努力。为了让新的成员能更快、更容易地理解操作系统的精髓，从更高的角度去鉴赏和发现操作系统设计中的精妙与不足，团队成员以Linux 0.11内核为例，对操作系统的设计思想和实现原理进行了深刻地剖析，取得了十分好的效果，很好地培养和锻炼了团队成员对操作系统的驾驭能力。为了实现让国人也能设计出自己的操作系统的目标，本书作者团队无私地将他们的独特研究方式与研究成果奉献了出来，希望所有想要去深刻理解Linux内核和操作系统设计思想朋友能从中受益。

　　本书的特点在于，既不是空泛地讲理论，也不是单纯地从语法的角度去逐行地分析源代码，而是以操作系统在实际运行中的几个经典事件为主线，将理论和实际结合在一起，精准地再现了操作系统在实际运行中究竟是如何运转的。宏观上，大家可以领略Linux 0.11内核的设计指导思想，可以了解到各个环节是如何牵制并保持平衡的，以及软件和硬件之间是如何互相依赖、互相促进的；微观上，大家可以看到每一个细节的实现方式和其中的精妙之处。

作者简介

　　新设计团队，一直在为设计一个自主的、有所突破和创新的操作系统而努力。为了让新的成员能更快、更容易地理解操作系统的精髓，从更高的角度去鉴赏和发现操作系统设计中的精妙与不足，团队成员以Linux 0.11内核为例，对操作系统的设计思想和实现原理进行了深刻地剖析，取得了十分好的效果，很好地培养和锻炼了团队成员对操作系统的驾驭能力。为了实现让国人也能设计出自己的操作系统的目标，本书作者团队无私地将他们的独特研究方式与研究成果奉献了出来，希望所有想要深刻理解Linux内核和操作系统设计思想的朋友能从中受益。
　　《Linux内核设计的艺术：图解Linux操作系统架构设计与实现原理（第2版）》的特点在于，既不是空泛地讲理论，也不是单纯地从语法的角度去逐行地分析源代码，而是以操作系统在实际运行中的几个经典事件为主线，将理论和实际结合在一起，精准地再现了操作系统在实际运行中究竟是如何运转的。宏观上，大家可以领略Linux 0.11内核的设计指导思想，可以了解到各个环节是如何牵制并保持平衡的，以及软件和硬件之间是如何互相依赖、互相促进的；微观上，大家可以看到每一个细节的实现方式和其中的精妙之处。

内页插图

目录

前　　言
第1章·从开机加电到执行
main函数之前的过程
1.1　启动BIOS，准备实模式下的中断向量表和中断服务程序
1.1.1　BIOS的启动原理
1.1.2　BIOS 在内存中加载中断向量表和中断服务程序
1.2　加载操作系统内核程序并为保护模式做准备
1.2.1　加载第一部分内核代码--引导程序（bootsect）
1.2.2　加载第二部分内核代码--setup
1.2.3　加载第三部分内核代码--system模块
1.3　开始向32位模式转变，为main函数的调用做准备
1.3.1　关中断并将system移动到内存地址起始位置0x0000
1.3.2　设置中断描述符表和全局描述符表
1.3.3　打开A20，实现32位寻址
1.3.4　为保护模式下执行head.s做准备
1.3.5　head.s开始执行
1.4　本章小结

第2章·设备环境初始化及激活进程
2.1　设置根设备、硬盘
2.2　规划物理内存格局，设置缓冲区、虚拟盘、主内存
2.3　设置虚拟盘空间并初始化
2.4　内存管理结构mem_map初始化
2.5　异常处理类中断服务程序挂接
2.6　初始化块设备请求项结构
2.7　与建立人机交互界面相关的外设的中断服务程序挂接
2.7.1　对串行口进行设置
2.7.2　对显示器进行设置
2.7.3　对键盘进行设置
2.8　开机启动时间设置
2.9　初始化进程
2.9.1　初始化进程
2.9.2　设置时钟中断
2.9.3　设置系统调用总入口
2.10　初始化缓冲区管理结构
2.11　初始化硬盘
2.12　初始化软盘
2.13　开启中断
2.14　进程0由0特权级翻转到3特权级，成为真正的进程
2.15　本章小结

第3章·进程1的创建及执行
3.1　进程1的创建
3.1.1　进程0创建进程
3.1.2　在task[64]中为进程1申请一个空闲位置并获取进程号
3.1.3　调用copy_process函数
3.1.4　设置进程1的分页管理
3.1.5　进程1共享进程0的文件
3.1.6　设置进程1在GDT中的表项
3.1.7　进程1处于就绪态
3.2　内核第一次做进程调度
3.3　轮转到进程1执行
3.3.1　进程1为安装硬盘文件系统做准备
3.3.2　进程1格式化虚拟盘并更换根设备为虚拟盘
3.3.3　进程1在根设备上加载根文件系统
3.4　本章小结

第4章·进程2的创建及执行
4.1　打开终端设备文件及复制文件句柄
4.1.1　打开标准输入设备文件
4.1.2　打开标准输出、标准错误输出设备文件
4.2　进程1创建进程2并切换到进程2执行
4.3　加载shell程序
4.3.1　关闭标准输入设备文件，打开rc文件
4.3.2　检测shell文件
4.3.3　为shell程序的执行做准备
4.3.4　执行shell程序
4.4　系统实现怠速
4.4.1　创建update进程
4.4.2　切换到shell进程执行
4.4.3　重建shell
4.5　本章小结

第5章·文件操作
5.1　安装文件系统
5.1.1　获取外设的超级块
5.1.2　确定根文件系统的挂接点
5.1.3　将超级块与根文件系统挂接
5.2　打开文件
5.2.1　将进程的*filp[20]与file_table[64]挂接
5.2.2　获取文件i节点
5.2.3　将文件i节点与file_table[64]挂接
5.3　读文件
5.3.1　确定数据块在外设中的位置
5.3.2　将数据块读入缓冲块
5.3.3　将缓冲块中的数据复制到进程空间
5.4　新建文件
5.4.1　查找文件
5.4.2　新建文件i节点
5.4.3　新建文件目录项
5.5　写文件
5.5.1　确定文件的写入位置
5.5.2　申请缓冲块
5.5.3　将指定的数据从进程空间复制到缓冲块
5.5.4　数据同步到外设的两种方法
5.6　修改文件
5.6.1　重定位文件的当前操作指针
5.6.2　修改文件
5.7　关闭文件
5.7.1　当前进程的filp与file_table[64]脱钩
5.7.2　文件i节点被释放
5.8　删除文件
5.8.1　对文件的删除条件进行检查
5.8.2　进行具体的删除工作
5.9　本章小结

第6章·用户进程与内存管理
6.1　线性地址的保护
6.1.1　进程线性地址空间的格局
6.1.2　段基址、段限长、GDT、LDT、特权级
6.2　分页
6.2.1　线性地址映射到物理地址
6.2.2　进程执行时分页
6.2.3　进程共享页面
6.2.4　内核分页
6.3　一个用户进程从创建到退出的完整过程
6.3.1　创建str1进程
6.3.2　str1进程加载的准备工作
6.3.3　str1进程的运行、加载
6.3.4　str1进程的退出
6.4　多个用户进程同时运行
6.4.1　进程调度
6.4.2　页写保护
6.5　本章小结

第7章·缓冲区和多进程操作文件
7.1　缓冲区的作用
7.2　缓冲区的总体结构
7.3　b_dev、b_blocknr及request的作用
7.3.1　保证进程与缓冲块数据交互的正确性
7.3.2　让数据在缓冲区中停留的时间尽可能长
7.4　uptodate和dirt的作用
7.4.1　b_uptodate的作用
7.4.2　b_dirt的作用
7.4.3　i_uptodate、i_dirt和s_dirt的作用
7.5　count、 lock、wait、request的作用
7.5.1　b_count的作用
7.5.2　i_count的作用
7.5.3　b_lock、*b_wait的作用
7.5.4　i_lock、i_wait、s_lock、*s_wait的作用
7.5.5　补充request的作用
7.6　实例1：关于缓冲块的进程等待队列
7.7　总体来看缓冲块和请求项
7.8　实例2：多进程操作文件的综合实例
7.9　本章小结

第8章·进程间通信
8.1　管道机制
8.1.1　管道的创建过程
8.1.2　管道的操作
8.2　信号机制
8.2.1　信号的使用
8.2.2　信号对进程执行状态的影响
8.3　本章小结

第9章·操作系统的设计指导思想
9.1　运行一个最简单的程序，看操作系统为程序运行做了哪些工作
9.2　操作系统的设计指导思想--主奴机制
9.2.1　主奴机制中的进程及进程创建机制
9.2.2　操作系统的设计如何体现主奴机制
9.3　实现主奴机制的三种关键技术
9.3.1　保护和分页
9.3.2　特权级
9.3.3　中断
9.4　建立主奴机制的决定性因素--先机
9.5　软件和硬件的关系
9.5.1　非用户进程--进程0、进程1、shell进程
9.5.2　文件与数据存储
9.6　父子进程共享页面
9.7　操作系统的全局中断与进程的局部中断--信号
9.8　本章小结
结束语
“新设计团队”简介

精彩书摘

　　2.10初始化缓冲区管理结构　　缓冲区是内存与外设（如硬盘，以后以硬盘为例）进行数据交互的媒介。内存与硬盘最大的区别在于，硬盘的作用仅仅是对数据信息以很低的成本做大量数据的断电保存，并不参与运算（因为CPU无法到硬盘上进行寻址），而内存除了需要对数据进行保存以外，更重要的是要与CPU、总线配合进行数据运算。缓冲区则介于两者之间，它既对数据信息进行保存，也能够参与一些像查找、组织之类的间接、辅助性运算。有了缓冲区这个媒介以后，对外设而言，它仅需要考虑与缓冲区进行数据交互是否符合要求，而不需要考虑内存如何使用这些交互的数据；对内存而言，它也仅需要考虑与缓冲区交互的条件是否成熟，而不需要关心此时外设对缓冲区的交互情况。两者的组织、管理和协调将由操作系统统一操作。　　操作系统通过hash_table[NR_HASH]、buffer_head双向环链表组成的复杂的哈希表管理缓冲区。　　操作系统通过调用buffer_init（）函数对缓冲区进行设置，执行代码如下：　　在buffer_init（）函数里，从内核的末端及缓冲区的末端同时开始，方向相对增长、配对地做出buffer_head、缓冲块，直到不足一对buffer_head、缓冲块。在第2章开始时设定的内存格局下，有3000多对buffer_head、缓冲块，buffer_head在低地址端，缓冲块在高地址端。　　将buffer_head的成员设备号b_dev、引用次数b_count、“更新”标志b_uptodate、“脏”标志b_dirt、“锁定”标志b_lock设置为0。如图2—24所示，将b_data指针指向对应的缓冲块。利用buffer_head的b_prevz_free、b_next_free，将所有的buffer_head形成双向链表。使flee_list指向第一个buffer_head，并利用free_list将buffer_head形成双向链表链接成双向环链表，如图2—25所示。　　注意图2—26顶部所示的内存的变化。在紧靠系统内核的部分，多出了一块用黑色表示的内存区域，那里面存储的就是缓冲区管理结构。由于它管理着3000多个缓冲块，因此它占用的内存空间的大小，与内核几乎差不多。图2—26中也对空闲表的双向链表结构给出了形象的说明。　　……

前言/序言

　　为什么写这本书
　　很早就有一个想法，做中国人自己的、有所突破、有所创新的操作系统、计算机语言及编译平台。
　　我带领的“新设计团队”（主要由中国科学院研究生院毕业的学生组成）在实际开发自己的操作系统的过程中，最先遇到的问题就是如何培养学生真正看懂Linux操作系统的源代码的能力。开源的Linux操作系统的源代码很容易找到，但很快就会发现，培养学生看懂Linux操作系统的源代码是一件非常困难的事。
　　操作系统的代码量通常都是非常庞大的，动辄几百万行，即使浏览一遍也要很长时间。比庞大的代码量更让学习者绝望的是操作系统有着极其错综复杂的关系。看上去，代码的执行序时隐时现，很难抓住脉络。代码之间相互牵扯，相互勾连，几乎无法理出头绪，更谈不上理解代码背后的原理、意图和思想。
　　对于学生而言，选择从源代码的什么地方开始分析，本身就是一个难题。通常，学生有两种选择：一种是从main函数，也就是从C语言代码的总入口开始，沿着源代码的调用路线一行一行地看下去，学生很快就会发现源代码的调用路线莫名其妙地断了，但直觉和常识告诉他操作系统肯定不会在这个地方停止，一定还在继续运行，却不知道后续的代码在哪里，这种方法很快就走进了死胡同；另一种则是从某一模块入手，如文件系统，但这样会无形中切断操作系统源码之间复杂的关系，如文件系统与进程管理的关系，文件系统与内存管理的关系，等等。学生如果孤立地去理解一个模块，往往只能记住一些名词和简单概念，难以真正理解操作系统的全貌。用学生的话讲，他们理解的操作系统变成了“文科”的操作系统。
　　由于操作系统是底层系统程序，对应用程序行之有效的调试和跟踪等手段对操作系统的源代码而言，几乎无效。学生就算把每一行源代码都看懂了，对源代码已经烂熟于心，知道这一行是一个for循环，那一行是一个调用……但仍然不知道整个代码究竟在做什么以及起到什么作用，更不知道设计者的意图究竟是什么。
　　学生在操作系统课程上学习过进程管理、内存管理、文件系统等基础知识，但是对这些空洞的理论在一个实际的操作系统中是如何实现的却不得而知。他们在源代码中很难看出进程和内存之间有什么关联，内核程序和用户程序有什么区别，为什么要有这些区别；也很难从源代码中看清楚，我们实际经常用到的操作，比如打开文件，操作系统在其中都做了哪些具体的工作。想在与常见的应用程序的编程方法有巨大差异的、晦涩难懂的、浩瀚如海的操作系统底层源代码中找到这些问题的答案，似乎比登天还难。
　　对熟悉操作系统源代码的学生而言，他们也知道像分页机制这样的知识点，知道若干级的分页及恒等映射，但是未必能够真正理解隐藏在机制背后的深刻意义。
　　这些都是学生在学习Linux操作系统源代码时遇到的实际问题。中国科学院研究生院的学生应该是年轻人中的佼佼者，他们遇到的问题可能其他读者也会遇到。我萌发了一个想法，虽然学生的问题早已解决，但是否可以把他们曾经在学习、研发操作系统的过程中遇到的问题和心得体会拿出来供广大读者分享。
　　当时，针对学生的实际问题，我的解决方法是以一个真实的操作系统为例，让学生理解源代码并把操作系统在内存中的运行时状态画出图来。实践证明，这个方法简单有效。
　　现在我们把这个解决方案体现在这本书中。这就是以一个真实的操作系统的实际运行为主线；以图形、图像为核心，突出描述操作系统在实际运行过程中内存的运行时结构；强调学生站在操作系统设计者的视角，用体系的思想方法，整体把握操作系统的行为、作用、目的和意义。
　　第1版与第2版的区别
　　第2版较第1版有较大的改动。
　　从总体结构上，将第1版的第2章拆分为第2版的第2章、第3章、第4章。这样的拆分对操作系统启动部分的系统初始化、激活进程0、创建进程1、创建进程2的层次划分更清晰。各章内容的分量也比较均衡，阅读感受会更好。
　　根据读者的反馈意见，第2版增加了一些示意图，在源代码中增加了大量的注释，对操作系统的架构表述得更直观，对源代码讲解得更细致。这些是第2版改动最大、下功夫最多的地方。希望我们的努力能给读者带来更多的帮助。
　　本书内容及特色
　　在全书的讲解过程中，我们不仅详细分析了源代码、分析了操作系统的执行序，还特别分析了操作系统都做了哪些“事”，并且对于“事”与“事”之间的关系和来龙去脉，这些“事”意味着什么，为什么要做这些“事”，这些“事”背后的设计思想是什么……都做了非常详细且深入的分析。
　　更重要的是，对于所有重要的阶段，我们几乎都用图解的方式把操作系统在内存中的实际运行状态精确地表示了出来。我们用600 dpi的分辨率精心绘制了300多张图，图中表现的运行时结构和状态与操作系统实际运行的真实状态完全吻合。对每一条线、每一个色块、每一个位置、每一个地址及每一个数字，我们都经过了认真反复地推演和求证，并最终在计算机上进行了核对和验证。看了这些绘制精美的图后，读者的头脑中就不再是一行行、一段段枯燥的、令人眩晕的源代码，而是立体呈现的一件件清晰的“事”，以及这些“事”在内存中直截了当、清晰鲜活的画面。用这样的方法讲解操作系统是本书的一大特色。理解这些图要比理解源代码和文字容易得多。毫不夸张地说，只要你能理解这些图，你就理解了操作系统的80％。这时你可以自豪地说，你比大多数用别的方法学过操作系统的人的水平都要高出一大截。
　　作者和机械工业出版社的编辑做了大量的检索工作。就我们检索的范围而言，这样的创作方法及具有这样特色的操作系统专著在世界范围都是第一次。
　　本书分三部分来讲解Linux操作系统：第一部分（第1～4章）分析了从开机加电到操作系统启动完成并进入怠速状态的整个过程；第二部分（第5～8章）讲述了操作系统进入系统怠速后，在执行用户程序的过程中，操作系统和用户进程的实际运行过程和状态；第三部分（第9章）阐述整个Linux操作系统的设计指导思想，是从微观到宏观的回归。
　　第一部分中，我们详细讲解了开机加电启动BIOS，通过BIOS加载操作系统程序，对主机的初始化，打开保护模式和分页，调用main函数，创建进程0、进程1、进程2以及shell进程，并且具备用文件的形式与外设交互。
　　第二部分中，我们设计了几个尽可能简单又有代表性的应用程序，并以这些程序的执行为引导，详细讲解了安装文件系统、文件操作、用户进程与内存管理、多个进程对文件的操作以及进程间通信。
　　我们将操作系统的原理自然而然地融入了讲解真实操作系统的实际运行过程中。在读者看来，操作系统原理不再是空对空的、“文科”概念的计算机理论，而是既有完整且体系的理论，又有真实、具体、实际的代码和案例，理论与实际紧密结合。
　　第三部分是全书水平最高的部分，详细阐述了主奴机制以及实现主奴机制的三项关键技术：保护和分页、特权级、中断，分析了保障主奴机制实现的决定性因素—先机，还详细讲解了缓冲区、共享页面、信号、管道的设计指导思想。我们尝试从操作系统设计者的视角讲解操作系统的设计指导思想。希望帮助读者用体系的思想理解、把握、驾驭整个操作系统以及背后的设计思想和设计意图。
　　在本书中，我们详细讲解了大家在学习操作系统的过程中可能会遇到的每一个难点，如main函数中的pause()调用，虽然已经找不到后续代码，但该调用结束后，程序仍然执行的原因是：中断已经打开，进程调度就开始了，而此时可以调度的进程只有进程1，所以后续的代码应该从进程1处继续执行……
　　我们还对读者不容易理解和掌握的操作系统特有的底层代码的一些编程技巧做了详细的讲解，如用模拟call的方法，通过ret指令“调用”main函数……
　　总之，我们所做的一切努力就是想真正解决读者遇到的实际问题和难题，给予读者有效的帮助。我们盼望即使是刚刚考入大学的学生也有兴趣和信心把这本书读下去；我们同样希望即使是对操作系统源代码很熟悉的读者，这本书也能给他们一些不同的视角、方法和体系性思考。
　　为什么本书选用Linux 0.11内核
　　这本书选用的是Linux 0.11操作系统源代码。对为什么选用Linux 0.11而不是最新版本，赵炯先生有过非常精彩的论述。我们认为赵先生的论述是非常到位的。
　　我们不妨看一下Linux最新的版本2.6，代码量大约在千万行这个量级，去掉其中的驱动部分，代码量仍在百万行这个量级。一个人一秒钟看一行，一天看8小时，中间不吃、不喝、不休息，也要看上几个月，很难想象如何去理解。
　　就算我们坚持要选用Linux 2.6，就算我们写上2000页（书足足会有十几厘米厚），所有的篇幅都用来印代码，也只能印上不到十分之一的代码。所以，即使是这么不切实际的篇幅，也不可能整体讲解Linux 2.6。读者会逐渐明白，对于理解和掌握操作系统而言，真正有价值的是整体、是体系，而不是局部。
　　Linux 0.11的内核代码虽然只有约两万行，但却是一个实实在在、不折不扣的现代操作系统。因为它具有现代操作系统最重要的特征—支持实时多任务，所以必然支持保护和分页……而且它还是后续版本的真正的始祖，有着内在的、紧密的传承关系。读者更容易看清设计者最初的、最根本的设计意图和设计指导思想。
　　Linux 0.11已经问世20多年了，被世人广为研究和学习。换一个角度看，要想对众人熟悉的事物和领域讲出新意和特色，对作者来说也是一个强有力的挑战。
　　致谢
　　首先，感谢机械工业出版社华章公司的副总经理温莉芳女士以及其他领导，是他们的决心和决策成就了这本书，并且在几乎所有方面给予了强有力的支持。特别令人感动的是他们主动承担了全部的出版风险，同时给予了作者最好的条件，让我们看到一个大出版社的气度和风范。
　　其次，特别感谢机械工业出版社华章公司的编辑杨福川。杨先生的鉴赏力和他的事业心以及他对工作认真负责的态度为这本书的出版打开了大门。杨先生对读者的理解以及他的计算机专业素养使得他有能力对这本书给予全方位的指导和帮助，使我们对这本书整体修改了多次，使之更贴近读者，可读性更好。
　　还要感谢我们和杨福川共同的朋友张国强先生和杨缙女士。
　　最后，感谢我们的家人和朋友，是他们坚定的支持才使得整个团队能够拒绝方方面面、形形色色的诱惑，放弃普遍追求的短期利益；我们在常人难以想象的艰苦条件下，长时间专注于操作系统、计算机语言、编译器、计算机体系结构等基础性学科的研究。因为我们认认真真、踏踏实实、不为名利，只为做一点实在、深入的工作，积累了十年的经验，打造了一支敢想、敢干、敢打、敢拼、不惧世界顶级强敌的队伍。这些是本书的基础。
　　杨力祥
　　中国科学院研究生院
　　2013年1月

《深度剖析：现代操作系统内核的奥秘》 本书并非聚焦于特定操作系统的技术细节，而是致力于揭示现代操作系统内核设计的普遍性原则、核心思想以及演进脉络。我们旨在为读者构建一个高屋建瓴的视角，理解不同操作系统内核在处理诸如进程管理、内存分配、设备驱动、文件系统、网络通信等核心任务时所遵循的共性逻辑和创新策略。通过对这些普遍性问题的深入探讨，本书将帮助读者掌握分析和理解任何操作系统内核的能力，而不仅仅是某个特定版本的实现。 第一部分：内核架构的基石——通用设计范式与核心抽象 在深入探讨具体技术之前，我们首先需要建立起对操作系统内核架构的整体认知。本部分将从宏观层面出发，解析构成现代内核设计的几大核心支柱。 内核模式与用户模式的隔离： 这是操作系统安全与稳定的基石。我们将详细阐述两种模式存在的必要性，CPU提供的硬件支持（如Ring Protection），以及内核如何通过系统调用机制与用户空间进行交互。探讨不同内核设计（宏内核、微内核、混合内核）在此隔离机制上的实现差异和权衡。 进程与线程的抽象： 进程和线程是并发执行的基本单元。本书将深入剖析这两个抽象概念的起源、演进以及它们在不同操作系统内核中的具体实现。我们将探讨线程模型（用户级线程、内核级线程、混合模型），调度算法的原理、实现及其对系统性能的影响，以及进程间通信（IPC）机制的多种形式和应用场景。 内存管理：虚拟内存与物理内存的桥梁： 内存是计算机系统中最为宝贵的资源之一。本部分将详细讲解虚拟内存的概念，包括页式管理、段式管理及其结合。深入剖析内存分页、分段、页面置换算法（如LRU, FIFO, Optimal），以及内存映射（mmap）等核心机制。同时，我们将探讨物理内存的分配策略，如伙伴系统（Buddy System）和 Slab 分配器，以及它们如何高效管理内核和用户空间的物理内存。 设备管理与I/O子系统： 操作系统需要与硬件设备进行交互。我们将解析I/O子系统的一般架构，包括设备驱动程序的角色、接口（如字符设备、块设备、网络设备）以及中断处理机制。深入探讨DMA（Direct Memory Access）技术如何绕过CPU实现高效数据传输，以及缓冲与缓存技术在I/O性能优化中的作用。 同步与并发控制： 在多任务、多处理器环境中，保证数据的一致性和避免竞态条件至关重要。本部分将系统介绍同步机制，如互斥锁、信号量、读写锁、自旋锁等。深入分析死锁的产生条件、检测与避免方法，以及如何在多核环境下实现高效的并发控制。 第二部分：核心子系统的深度剖析——通用设计模式与实现考量 在本部分，我们将进一步深入到操作系统的核心子系统中，剖析它们的通用设计模式、关键数据结构以及常见的实现挑战。 调度器：公平与效率的艺术： 调度器是内核的“大脑”，负责在CPU上分配执行时间。我们将探讨不同调度策略的演进，从简单的FCFS、SJF到更复杂的优先级调度、时间片轮转，以及现代系统中普遍采用的公平调度算法（如CFS - Completely Fair Scheduler）的原理。分析调度器在多核环境下的挑战，如负载均衡和缓存亲和性。 内存分配器的奥秘： 内核需要频繁且高效地分配和释放内存。我们将详细介绍内核中常见的内存分配器，如伙伴系统（Buddy System）如何管理连续的物理内存块，以及Slab分配器如何高效管理频繁分配的小型对象。分析不同分配器在性能、碎片化和内存开销上的权衡。 文件系统的通用模型与实现： 文件系统是数据持久化的关键。我们将解析文件系统的通用抽象层，如 VFS (Virtual File System) 在 Linux 中的作用，它如何提供统一的接口来访问不同类型的存储介质。深入探讨文件系统的基本构成，如目录结构、inode、数据块，以及文件系统的日志（Journaling）机制如何保证数据的一致性。 网络协议栈的实现： 网络通信是现代操作系统的另一重要组成部分。我们将剖析TCP/IP协议栈的通用架构，重点关注其在内核中的实现。深入理解套接字（Socket）接口，以及TCP、UDP等传输层协议在内核中的数据包处理流程，包括拥塞控制、流量控制等关键机制。 设备驱动的通用设计原则： 设备驱动是连接硬件与内核的桥梁。我们将探讨设备驱动的一般设计模式，包括驱动模型的抽象，以及如何与内核的I/O子系统、中断处理机制协同工作。分析不同类型设备驱动（如PCI驱动、USB驱动）的特点和实现难点。 第三部分：高级主题与前沿展望——内核设计的演进与未来趋势 随着硬件的发展和应用需求的不断变化，操作系统内核设计也在持续演进。本部分将探讨一些高级主题，并对未来的发展趋势进行展望。 高性能与低延迟的优化技术： 在追求系统性能和响应速度的道路上，内核设计者们不断探索新的优化技术。我们将讨论 NUMA (Non-Uniform Memory Access) 架构对内核设计的影响，以及如何进行内存和CPU的拓扑感知优化。探讨无锁数据结构（Lock-free Data Structures）在减少锁竞争、提升并发性能方面的应用。 安全与隔离的新范式： 传统的安全模型面临新的挑战。本部分将介绍容器化（如Docker, Kubernetes）所依赖的内核特性，如Namespace和Cgroups，以及它们如何在内核层面实现资源隔离和进程管理。探讨虚拟化技术（如KVM）如何通过硬件辅助实现更强的隔离性。 模块化与可伸缩性： 现代操作系统内核需要具备良好的可伸缩性和灵活性。我们将探讨内核模块的加载与卸载机制，以及动态调整内核参数以适应不同硬件和工作负载。分析微服务架构等思想对操作系统内核设计的影响。 实时操作系统（RTOS）的核心设计考量： 对于对时间要求极高的应用场景，实时操作系统有着特殊的内核设计需求。我们将对比通用操作系统内核与RTOS内核在调度策略（如硬实时调度）、中断处理、内存管理等方面的差异，以及RTOS如何保证可预测性和确定性。 内核开发的未来趋势： 结合当前的技术发展，我们将对操作系统内核设计的未来进行展望。这可能包括对更精细化内存管理技术、更智能的调度算法、面向异构计算的内核架构，以及与AI、机器学习等前沿技术在内核层面的融合进行探讨。 本书的目标读者： 本书适合于有一定计算机基础，希望深入理解操作系统内核工作原理的开发者、系统工程师、计算机科学专业的学生以及对操作系统设计充满好奇的技术爱好者。无论您使用的是何种操作系统，本书都将为您提供一套通用的分析框架和深刻的洞见，帮助您更好地理解和驾驭现代操作系统的核心。我们将避免使用过多的特定操作系统专有术语，而是聚焦于普遍存在的概念、算法和设计模式，让您的知识体系更具普适性和前瞻性。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我量身定做的！作为一名对Linux系统底层原理充满好奇的技术爱好者，我一直苦于找不到一本既能深入浅出又足够详实的资料。市面上很多书要么过于理论化，要么过于碎片化，读起来总是抓不住核心。但《Linux内核设计的艺术》完全不同，它就像一个经验丰富的向导，带着我一步步探索Linux内核的宏伟蓝图。我尤其欣赏它在架构设计上的阐述，那些复杂的组件是如何协同工作的，每个模块的职责是什么，作者都用非常清晰的逻辑和生动的比喻一一揭示。而且，它没有回避那些看似艰深的细节，而是通过大量的图示，将抽象的概念具象化，让我这个视觉型学习者如获至宝。比如，当讲到内存管理时，书中关于页表、TLB、伙伴系统以及 Slab 分配器的图解，简直是神来之笔，让我瞬间就对这些概念有了透彻的理解，而不是仅仅停留在死记硬背的层面。它不仅仅是讲解“是什么”，更着重于“为什么”和“怎么做”，这种对设计思想的剖析，对于我这种想要深入理解Linux内核，甚至参与到相关开发中的人来说，价值连城。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值绝不仅仅在于它对Linux内核原理的讲解，更在于它所蕴含的“设计哲学”。我是一名在软件架构设计领域摸爬滚打多年的从业者，深知一个优秀系统的背后，一定有精妙的设计思想。《Linux内核设计的艺术》这本书，恰恰展现了Linux内核设计者们的智慧和匠心。作者在介绍每个模块的设计时，都会深入剖析其设计的初衷、权衡的取舍以及演进的历程。比如，在讨论内核模块化设计时，书中分析了其带来的灵活性和可扩展性，但也指出了潜在的复杂性。这种对设计背后原因的深入挖掘，让我能够站在更高的维度去理解Linux内核，而不仅仅是停留在对某个具体实现的了解。我常常会在阅读过程中停下来思考，为什么Linux内核会选择这样的方案？有没有其他更好的选择？这种批判性的思考，正是提升架构设计能力的关键。这本书就像一本关于“系统设计艺术”的百科全书，让我受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

这绝对是一本值得反复阅读的宝藏！我是一名正在攻读计算机科学的硕士研究生，在学习操作系统的过程中，总是感觉理论与实践之间存在一道鸿沟。《Linux内核设计的艺术》这本书，在很大程度上弥合了这一差距。它的讲解方式非常系统化，从最基础的启动过程，到复杂的调度、内存、进程通信等核心机制，都进行了详尽而清晰的阐述。我最看重的是书中“图解”的特点，那些精巧的图示，能够帮助我快速抓住核心要点，并且在脑海中形成一个动态的、可视化的模型。比如，书中对进程状态转换的图解，以及对文件系统缓存机制的剖析，都让我印象深刻。而且，这本书并没有止步于理论的讲解，它会巧妙地引导读者去思考这些设计在实际应用中的表现，以及可能带来的影响。这种“寓教于乐”的学习方式，对于我这样一个需要系统性掌握知识的学生来说，极具吸引力。它让我不再觉得操作系统是一个枯燥乏味的学科，而是充满智慧和挑战的领域。

评分☆☆☆☆☆

我是一名初级Linux系统工程师，一直想提升自己的技术深度，尤其是在系统性能调优和故障排查方面。之前尝试过阅读一些官方文档和技术博客，但往往感觉知识点零散，不成体系。直到我翻开了《Linux内核设计的艺术》，才真正打开了新世界的大门。这本书的讲解风格非常务实，它不是那种空谈理论的书，而是紧密结合了实际应用场景。举例来说，在谈到进程调度时，作者不仅介绍了 CFS（Completely Fair Scheduler）的核心思想，还详细分析了在不同负载下的调度行为，并给出了实际的调优建议。书中对于 I/O 子系统、文件系统以及网络协议栈的剖析，也同样深入且贴合实际。我最喜欢的部分是，书中在讲解某个模块的实现原理时，会穿插一些典型的应用场景和可能的性能瓶颈，这让我能够立刻将学到的知识与我的日常工作联系起来，并且能够思考如何利用这些知识去解决实际问题。这种“理论与实践并重”的叙事方式，对于我这样的工程师来说，是极具指导意义的，让我感觉这本书不仅是知识的传递，更是技能的提升。

评分☆☆☆☆☆

我是一名资深的C++开发者，一直对操作系统底层的机制充满好奇，想知道我们每天使用的应用程序背后，究竟隐藏着怎样的运作逻辑。市面上有很多关于Linux的书籍，但大多侧重于命令行的使用或者某个特定领域的应用，真正能让我看到“全局”的书却不多。《Linux内核设计的艺术》恰恰填补了这个空白。它没有像某些书籍那样，上来就陷入晦涩的汇编代码或内核API的罗列，而是从一个宏观的视角，逐步深入到内核的各个关键模块。我尤其欣赏作者在讲解过程中，那种层层剥离、由浅入深的处理方式。他能够将复杂的概念，比如进程管理、线程模型、信号处理、中断机制等，用非常清晰的逻辑和清晰的语言进行阐述，并辅以大量精美的图示，帮助读者构建起一个完整的内核架构图。对于我这种有一定编程基础的人来说，这本书让我看到了应用程序与内核之间的“桥梁”是如何搭建的，让我对系统调用的本质、内存的分配与回收、以及多线程的同步与互斥有了更深刻的理解。

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速度快

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书印刷质量很好。

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对内核讲的非常的细致，打开了新世界的大门

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书不错，内容很多，而且都很实用，非常有参考价值~

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发货速度快！

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多看书多看报

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书很不错，正版，杨利祥老师的力作，讲的清楚明白！

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goooooooooooooooooooooooood

评分☆☆☆☆☆

不错不错不错不错