奔跑吧Linux内核（第2版）卷1：基础架构_笨叔_9787115549990_湖南知新文化传播有限公司读者荐购服务

本书基于Linux 5.0内核的源代码讲述Linux内核中核心模块的实现。本书共9章，主要内容包括处理器架构、ARM64在Linux内核中的实现、内存管理之预备知识、物理内存与虚拟内存、内存管理之高级主题、内存管理之实战案例、进程管理之基本概念、进程管理之调度和负载均衡、进程管理之调试与案例分析。本书适合Linux系统开发人员、嵌入式系统开发人员及Android开发人员阅读，也可供计算机相关专业的师生阅读。

目　　录第　1章处理器架构　1 1.1　处理器架构介绍　3 1.1.1　精简指令集和复杂指令集　3 1.1.2　大/小端字节序　3 1.1.3　一条存储读写指令的执行全过程　4 1.1.4　内存屏障产生的原因　8 1.1.5　高速缓存的工作方式　10 1.1.6　高速缓存的映射方式　11 1.1.7　组相联的高速缓存　13 1.1.8　PIPT和VIVT的区别　14 1.1.9　页表的创建和查询过程　17 1.1.10　TLB　21 1.1.11　MESI协议　21 1.1.12　高速缓存伪共享　26 1.1.13　高速缓存在Linux内核中的应用　27 1.1.14　ARM的大/小核架构　28 1.1.15　高速缓存一致性和一致性内存模型　30 1.1.16　高速缓存的回写策略和替换策略　30 1.1.17　NUMA　31 1.1.18　ARM处理器设计　32 1.1.19　最新进展　33 1.2　ARM64架构　34 1.2.1　ARMv8-A架构　34 1.2.2　采用ARMv8架构的常见处理器内核　35 1.2.3　ARMv8架构中的基本概念　35 1.2.4　ARMv8处理器执行状态　36 1.2.5　ARMv8支持的数据宽度　36 1.2.6　不对齐访问　37 1.3　ARMv8寄存器　37 1.3.1　通用寄存器　37 1.3.2　处理器状态　38 1.3.3　特殊寄存器　39 1.3.4　系统寄存器　41 1.4　A64指令集　42 1.4.1　常用的算术和搬移指令　42 1.4.2　乘法和除法指令　43 1.4.3　移位操作指令　45 1.4.4　位操作指令　45 1.4.5　条件操作　47 1.4.6　内存加载指令　48 1.4.7　多字节内存加载和存储指令　50 1.4.8　非特权访问级别的加载和存储指令　50 1.4.9　内存屏障指令简介　51 1.4.10　独占内存访问指令　51 1.4.11　跳转与比较指令　52 1.4.12　异常处理指令　53 1.4.13　系统寄存器访问指令　54 1.5　GCC内联汇编　55 1.6　函数调用标准和栈布局　57 1.7　ARM64异常处理　59 1.7.1　异常类型　59 1.7.2　同步异常和异步异常　60 1.7.3　异常发生后的处理　60 第　2章 ARM64在Linux内核中的实现　62 2.1　ARM64内存管理　63 2.1.1　页表　63 2.1.2　页表映射　64 2.1.3　页表项描述符　65 2.1.4　Linux内核中的页表　68 2.1.5　ARM64内核内存分布　74 2.1.6　案例分析：ARM64的页表映射过程　78 2.2　高速缓存管理　84 2.3　TLB管理　87 2.4　内存属性　90 2.4.1　内存属性　91 2.4.2　高速缓存共享属性　94 2.5　内存屏障　95 2.5.1　内存屏障指令　95 2.5.2　加载-获取屏障原语与存储- 释放屏障原语　96 2.6　Linux内核汇编代码分析　97 2.6.1　链接文件基础知识　97 2.6.2　vmlinux.lds.S文件分析　99 2.6.3　启动汇编代码　102 2.6.4　创建恒等映射和内核映像映射　106 2.6.5　__cpu_setup函数分析　114 2.6.6　__primary_switch函数分析　117 2.7　关于页表的常见疑问　120 2.7.1　关于下一级页表基地址　121 2.7.2　软件遍历页表　121 第3章　内存管理之预备知识　124 3.1　从硬件角度看内存管理　126 3.1.1　内存管理的“远古时代”　126 3.1.2　分段机制　127 3.1.3　分页机制　128 3.1.4　虚拟地址到物理地址的转换　128 3.2　从软件角度看内存管理　129 3.2.1　从Linux系统使用者的角度看内存管理　129 3.2.2　从Linux应用程序开发人员的角度看内存管理　130 3.2.3　从内存分布的角度看内存管理　131 3.2.4　从进程的角度看内存管理　131 3.2.5　从Linux内核的角度看内存管理　135 3.3　物理内存管理之预备知识　136 3.3.1　内存架构之UMA和NUMA　136 3.3.2　内存管理之数据结构　138 3.3.3　内存大小　140 3.3.4　物理内存映射　141 3.3.5　zone初始化　143 3.3.6　空间划分　145 3.3.7　物理内存初始化　146 第4章　物理内存与虚拟内存　152 4.1　页面分配之快速路径　153 4.1.1　分配物理页面的接口函数　154 4.1.2　分配掩码　155 4.1.3　alloc_pages()函数　158 4.1.4　get_page_from_freelist()函数　162 4.1.5　zone_watermark_fast()函数　164 4.1.6　rmqueue()函数　165 4.1.7　释放页面　167 4.1.8　小结　170 4.2　slab分配器　170 4.2.1　slab分配器产生的背景　170 4.2.2　创建slab描述符　173 4.2.3　slab分配器的内存布局　176 4.2.4　配置slab描述符　178 4.2.5　分配slab对象　180 4.2.6　释放slab缓存对象　183 4.2.7　slab分配器和伙伴系统的接口函数　185 4.2.8　管理区　185 4.2.9　kmalloc()　188 4.2.10　小结　189 4.3　vmalloc()　190 4.4　虚拟内存管理之进程地址空间　194 4.4.1　进程地址空间　194 4.4.2　mm_struct数据结构　195 4.4.3　VMA数据结构　197 4.4.4　VMA的属性　199 4.4.5　查找VMA　201 4.4.6　插入VMA　203 4.4.7　合并VMA　206 4.4.8　红黑树例子　207 4.4.9　小结　209 4.5　malloc()　210 4.5.1　brk系统调用　210 4.5.2　用户态地址空间划分　212 4.5.3　__do_sys_brk()函数　213 4.5.4　do_brk_flags()函数　213 4.5.5　＿mm＿populate()函数　215 4.5.6　get_user_pages()函数　216 4.5.7　小结　220 4.6　mmap　223 4.6.1　mmap概述　223 4.6.2　小结　225 4.7　缺页异常处理　227 4.7.1　ARM64缺页异常的底层处理流程　228 4.7.2　do_page_fault()函数　234 4.7.3　handle_mm_fault()函数　237 4.7.4　匿名页面缺页中断　240 4.7.5　系统零页　241 4.7.6　文件映射缺页中断　242 4.7.7　写时复制　245 4.7.8　ARM64硬件DBM机制导致的竞争问题　248 4.7.9　关于pte_offset_map()安全使用的问题　251 4.7.10　关于写时复制的竞争问题　253 4.7.11　为什么要在切换页表项之前刷新TLB　256 4.7.12　缺页异常引发的死锁　257 4.7.13　小结　257 第5章　内存管理之高级主题　259 5.1　page　260 5.1.1　page数据结构　260 5.1.2　_refcount的应用　265 5.1.3　_mapcount的应用　268 5.1.4　PG_Locked　269 5.1.5　mapping成员的妙用　270 5.1.6　和page相关的几个接口函数　271 5.1.7　小结　272 5.2　RMAP　272 5.2.1　RMAP的主要数据结构　273 5.2.2　父进程产生匿名页面　274 5.2.3　根据父进程创建子进程　277 5.2.4　子进程发生写时复制　280 5.2.5　RMAP的应用　281 5.2.6　小结　283 5.3　页面回收　285 5.3.1　LRU链表　285 5.3.2　第二次机会法　288 5.3.3　触发页面回收　293 5.3.4　kswapd内核线程　293 5.3.5　balance_pgdat()函数　296 5.3.6　shrink_node()函数　298 5.3.7　shrink_active_list()函数　302 5.3.8　shrink_inactive_list()函数　304 5.3.9　跟踪LRU活动情况　308 5.3.10　页面回收机制　309 5.3.11　Refault Distance算法　312 5.3.12　小结　317 5.4　匿名页面生命周期　318 5.4.1　匿名页面的产生　319 5.4.2　匿名页面的使用　319 5.4.3　匿名页面的换出　319 5.4.4　匿名页面的换入　321 5.4.5　匿名页面的销毁　321 5.5　页面迁移　321 5.5.1　哪些页面可以迁移　322 5.5.2　页面迁移主函数　322 5.5.3　move_to_new_page()函数　324 5.5.4　迁移页表　325 5.5.5　迁移非LRU页面　326 5.5.6　小结　328 5.6　内存规整　329 5.6.1　内存规整的基本原理　329 5.6.2　触发内存规整　330 5.6.3　直接内存规整　330 5.6.4　compact_zone()函数　333 5.6.5　哪些页面适合做内存规整　338 5.7　KSM　339 5.7.1　使能KSM　339 5.7.2　KSM基本实现　343 5.7.3　KSM数据结构　345 5.7.4　新版本KSM的新特性　345 5.7.5　malloc()分配的页面可以被 KSM扫描吗　353 5.7.6　合并页面　355 5.7.7　一个有趣的计算公式　358 5.7.8　page->index的值　359 5.7.9　小结　360 5.8　页面分配之慢速路径　362 5.8.1　alloc_pages_slowpath()函数　362 5.8.2　水位管理和分配优先级　367 5.9　内存碎片化管理　368 5.9.1　伙伴系统算法如何减少内存碎片　368 5.9.2　页面迁移类型和内存规整　370 5.9.3　Linux 5.0内核新增的反碎片优化　371 第6章　内存管理之实战案例分析　375 6.1　内存管理日志信息和调试信息　375 6.1.1　vm_stat计数值　375 6.1.2　meminfo分析　377 6.1.3　伙伴系统信息　383 6.1.4　查看内存管理区的信息　383 6.1.5　查看与进程相关的内存信息　385 6.1.6　为什么S_swap与P_swap 不相等　387 6.1.7　解读OOM Killer机制输出的日志信息　388 6.1.8　解读缺页异常后输出的宕机日志信息　394 6.2　内存管理调优参数　400 6.2.1　影响内存管理区水位的调优参数min_free_kbytes　401 6.2.2　影响页面分配的参数 lowmem_reserve_ratio　402 6.2.3　影响页面回收的参数　404 6.2.4　影响脏页回写的参数　406 6.3　内存管理实战案例分析　407 6.3.1　案例一：缺页异常和文件系统引发的宕机　407 6.3.2　案例二：KSM和NUMA引发的虚拟机宕机　410 6.3.3　案例三：为什么无法分配一个页面　415 6.3.4　案例四：秘密任务——动态修改系统调用表引发的4次宕机　420 第7章　进程管理之基本概念　430 7.1　关于进程的基本概念　431 7.1.1　进程的来由　431 7.1.2　进程描述符　432 7.1.3　进程的生命周期　434 7.1.4　进程标识　436 7.1.5　进程间的家族关系　436 7.1.6　获取当前进程　438 7.1.7　进程0和进程1　440 7.2　与进程创建和终止相关的操作系统原语　441 7.2.1　写时复制技术　442 7.2.2　fork()函数　443 7.2.3　vfork()函数　444 7.2.4　clone()函数　445 7.2.5　内核线程　445 7.2.6　终止进程　446 7.2.7　僵尸进程和进程托孤　446 7.3　代码分析：进程的创建和终止　447 7.3.1　_do_fork()函数分析　447 7.3.2　copy_process()函数分析　449 7.3.3　dup_task_struct()函数分析　453 7.3.4　sched_fork()函数分析　453 7.3.5　copy_mm()函数分析　454 7.3.6　进程创建后的返回　458 7.4　进程调度原语　461 7.4.1　进程分类　461 7.4.2　进程优先级和权重　461 7.4.3　调度策略　463 7.4.4　时间片　465 7.4.5　经典调度算法　465 7.4.6　Linux内核的O (n)调度算法　467 7.4.7　Linux内核的O (1)调度算法　467 7.4.8　Linux内核的CFS　468 第8章　进程管理之调度与负载均衡　469 8.1　CFS　470 8.1.1　vruntime的计算　471 8.1.2　调度器的数据结构　474 8.1.3　对进程创建代码的分析　479 8.1.4　对进程加入调度器的代码的分析　483 8.1.5　进程调度　485 8.1.6　进程切换　488 8.1.7　调度节拍　497 8.1.8　组调度机制　498 8.1.9　小结　502 8.2　负载计算　503 8.2.1　如何衡量一个CPU的负载　503 8.2.2　工作负载和量化负载　504 8.2.3　历史累计衰减的计算　505 8.2.4　量化负载的计算　506 8.2.5　实际算力的计算　507 8.2.6　sched_avg数据结构　508 8.2.7　PELT代码分析　510 8.2.8　PELT接口函数　516 8.3　SMP负载均衡　517 8.3.1　CPU管理位图　517 8.3.2　CPU调度域　519 8.3.3　建立CPU调度域拓扑关系　522 8.3.4　负载均衡　529 8.3.5　唤醒进程　536 8.3.6　wake affine特性　538 8.3.7　调试　541 8.3.8　小结　542 8.4　绿色节能调度器　542 8.4.1　量化计算能力　545 8.4.2　能效模型　548 8.4.3　OPP子系统　551 8.4.4　初始化CPUfreq-dt驱动程序　556 8.4.5　注册能效模型子系统　557 8.4.6　该选择哪个CPU来执行唤醒进程p呢　561 8.4.7　overutilized条件判断　569 8.4.8　CPU动态调频　570 8.4.9　小结　573 8.5　实时调度　574 8.5.1　实时延时分析　574 8.5.2　Linux内核实时性改进　576 第9章　进程管理之调试与案例分析　580 9.1　进程管理之调试　580 9.1.1　查看与进程相关的调度信息　580 9.1.2　查看CFS的信息　582 9.1.3　查看调度域信息　585 9.1.4　与调度相关的调试节点　586 9.2　综合案例分析——系统调度　587 9.3　进程管理　589 9.3.1　进程的本质　589 9.3.2　逃离不掉的进程优先级　590 9.3.3　调度器的选择　591 9.3.4　用四维空间来理解负载　591 9.3.5　案例分析——为何不能调度　592

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