linux内核的设计与实现pdf，linux嵌入式软件开发

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注意：在Linux的文本模式下是不能使用该命令并查看pdf文件的。可以实施fbgs，但只能查看部分pdf文档。

说明：Evince原本是GNOME环境中一个简单的文档查看器，可以查看PDF、Postscript、djvu、tiff、dvi等文档。

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Linux下如何编辑pdf文件目录？

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Linux CFS调度器原理、设计与内核实现

首先，让我们对几个核心概念和它们之间的关系进行梳理。

CFS（Completely Fair Scheduler）是 Linux内核中的一个默认调度器，其目的是实现“完全公平”的调度算法，确保在多任务环境下，CPU资源能够均匀地分配给每个进程（在内核中称为 task）。简单来说，当一台机器有多个计算密集型进程时，采用 CFS调度器时，每个进程将得到公平的 CPU时间。

接下来，我们看第二个概念。

CFS扩展：最初的 CFS仅管理单个任务的调度，确保公平分配 CPU时间给每个进程。然而，现实情况中，进程往往以组的形式（task group）存在，希望先对进程组分配 CPU份额，再在每个进程组内实现公平调度。为此，CFS引入了几个关键扩展，如配置选项，以支持进程组级别的资源控制。

前提：CONFIG_CGROUPS：实现按进程组分配和管理 CPU份额功能的先决条件是，内核能够控制进程组的资源限额。这依赖于控制组（cgroup）技术。

前提：CONFIG_CGROUP_SCHED：cgroup技术允许按资源类型（如 CPU）为进程组设置资源限额。配置开关 CONFIG_CGROUP_SCHED控制 CPU时间的分配。

基于以上基础，CFS扩展了对实时进程组（CONFIG_RT_GROUP_SCHED）和常规进程组（CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED）的支持。

支持实时进程组：实时进程有严格的响应时间要求，无论系统负载如何，都应确保其响应实时性。CFS通过 CONFIG_RT_GROUP_SCHED开关支持对实时任务的分组管理。

支持常规进程组：除了实时进程外，还有常规进程，它们没有严格的响应时间限制。在 cgroup技术基础上，CFS进一步增强了代码，支持进程组内的公平调度。

在此基础上，常规进程组的 CFS调度器还引入了 CPU带宽控制的扩展（CONFIG_CFS_BANDWIDTH），以优化服务器环境的性能。

CFS调度器设计目标：早在 2007年，CFS调度器就被集成到 Linux内核中，旨在将真实 CPU建模为“理想、精确的多任务 CPU”。该设计旨在公平分配资源，确保每个任务获得等量的 CPU时间。

核心概念与调度策略：CFS通过虚拟运行时间（vruntime）概念来实现公平调度。每个进程的虚拟运行时间记录其累计执行时间。此外，CFS支持三种调度策略（SCHED_RR、SCHED_FIFO和 SCHED_NORMAL），每种策略影响进程的执行时间和抢占行为。

调度类与进程组扩展：引入了“Scheduling Class”概念，封装调度策略，简化 CFS调度器的核心代码。同时，配置选项 CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED使 CFS支持进程组级别的调度。

配置项与优化：CFS提供了多个配置选项，如配置项 CONFIG_CFS_BANDWIDTH，用于调整时间粒度和优化调度策略，以适应不同的工作负载需求。

实现细节与新功能：CFS的实现细节包括核心数据结构（如 task_struct和 sched_entity）以及调度策略的实现。CFS引入了 CPU带宽控制功能，允许更细粒度的资源分配。

最后，我们看到在内核实现中，CFS通过调度类、进程组扩展和配置选项提供了高度的灵活性和优化能力。这些设计和实现细节共同构成了 CFS调度器的核心功能，使其能够在多任务环境下提供公平且高效的 CPU资源分配。

Linux内核设计与实现的目录

译者序

序言

前言

作者简介

第1章Linux内核简介1

1.1Unix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

1.4Linux内核和传统Unix内核的比较5

1.5Linux内核版本7

1.6Linux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

2.1.1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

2.4.2GNU 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

3.3.2fork()27

3.3.3vfork()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

4.2Linux的进程调度36

4.3策略36

4.3.1I/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

4.4Linux调度算法39

4.4.1调度器类39

4.4.2Unix系统中的进程调度40

4.4.3公平调度41

4.5Linux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

5.2API、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

6.1.4Linux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

6.2.1kfifo79

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

8.3tasklet114

8.3.1tasklet的实现114

8.3.2使用tasklet116

8.3.3老的BH机制119

8.4工作队列120

8.4.1工作队列的实现121

8.4.2使用工作队列124

8.4.3老的任务队列机制126

8.5下半部机制的选择127

8.6在下半部之间加锁128

8.7禁止下半部128

8.8小结129

第9章内核同步介绍131

9.1临界区和竞争条件131

9.1.1为什么我们需要保护132

9.1.2单个变量133

9.2加锁134

9.2.1造成并发执行的原因135

9.2.2了解要保护些什么136

9.3死锁137

9.4争用和扩展性138

9.5小结140

第10章内核同步方法141

10.1原子操作141

10.1.1原子整数操作142

10.1.264位原子操作144

10.1.3原子位操作145

10.2自旋锁147

10.2.1自旋锁方法148

10.2.2其他针对自旋锁的操作149

10.2.3自旋锁和下半部150

10.3读-写自旋锁150

10.4信号量152

10.4.1计数信号量和二值信号量153

10.4.2创建和初始化信号量154

10.4.3使用信号量154

10.5读-写信号量155

10.6互斥体156

10.6.1信号量和互斥体158

10.6.2自旋锁和互斥体158

10.7完成变量158

10.8BLK：大内核锁159

10.9顺序锁160

10.10禁止抢占161

10.11顺序和屏障162

10.12小结165

第11章定时器和时间管理166

11.1内核中的时间概念166

11.2节拍率：HZ167

11.2.1理想的HZ值168

11.2.2高HZ的优势169

11.2.3高HZ的劣势169

11.3jiffies170

11.3.1jiffies的内部表示171

11.3.2jiffies的回绕172

11.3.3用户空间和HZ173

11.4硬时钟和定时器174

11.4.1实时时钟174

11.4.2系统定时器174

11.5时钟中断处理程序174

11.6实际时间176

11.7定时器178

11.7.1使用定时器178

11.7.2定时器竞争条件180

11.7.3实现定时器180

11.8延迟执行181

11.8.1忙等待181

11.8.2短延迟182

11.8.3schedule_timeout()183

11.9小结185

第12章内存管理186

12.1页186

12.2区187

12.3获得页189

12.3.1获得填充为0的页190

12.3.2释放页191

12.4kmalloc()191

12.4.1gfp_mask标志192

12.4.2kfree()195

12.5vmalloc()196

12.6slab层197

12.6.1slab层的设计198

12.6.2slab分配器的接口200

12.7在栈上的静态分配203

12.7.1单页内核栈203

12.7.2在栈上光明正大地工作203

12.8高端内存的映射204

12.8.1永久映射204

12.8.2临时映射204

12.9每个CPU的分配20512.10新的每个CPU接口206

12.10.1编译时的每个CPU数据206

12.10.2运行时的每个CPU数据207

12.11使用每个CPU数据的原因208

12.12分配函数的选择209

12.13小结209

第13章虚拟文件系统210

13.1通用文件系统接口210

13.2文件系统抽象层211

13.3Unix文件系统212

13.4VFS对象及其数据结构213

13.5超级块对象214

13.6超级块操作215

13.7索引节点对象217

13.8索引节点操作219

13.9目录项对象222

13.9.1目录项状态222

13.9.2目录项缓存223

13.10目录项操作224

13.11文件对象225

13.12文件操作226

13.13和文件系统相关的数据结构230

13.14和进程相关的数据结构232

13.15小结233

第14章块I/O层234

14.1剖析一个块设备234

14.2缓冲区和缓冲区头235

14.3bio结构体237

14.3.1I/O向量238

14.3.2新老方法对比239

14.4请求队列240

14.5I/O调度程序240

14.5.1I/O调度程序的工作241

14.5.2Linus电梯241

14.5.3最终期限I/O调度程序242

14.5.4预测I/O调度程序244

14.5.5完全公正的排队I/O调度程序244

14.5.6空操作的I/O调度程序245

14.5.7I/O调度程序的选择245

14.6小结246

第15章进程地址空间247

15.1地址空间247

15.2内存描述符248

15.2.1分配内存描述符249

15.2.2撤销内存描述符250

15.2.3mm_struct与内核线程250

15.3虚拟内存区域251

15.3.1VMA标志251

15.3.2VMA操作253

15.3.3内存区域的树型结构和内存区域的链表结构254

15.3.4实际使用中的内存区域254

15.4操作内存区域255

15.4.1find_vma()256

15.4.2find_vma_prev()257

15.4.3find_vma_intersection()257

15.5mmap()和do_mmap()：创建地址区间258

15.6mummap()和do_mummap()：删除地址区间259

15.7页表260

15.8小结261

第16章页高速缓存和页回写262

16.1缓存手段262

16.1.1写缓存262

16.1.2缓存回收263

16.2Linux页高速缓存264

16.2.1address_space对象264

16.2.2address_space操作266

16.2.3基树267

16.2.4以前的页散列表268

16.3缓冲区高速缓存268

16.4flusher线程268

16.4.1膝上型计算机模式270

16.4.2历史上的bdflush、kupdated和pdflush270

16.4.3避免拥塞的方法：使用多线程271

16.5小结271

第17章设备与模块273

17.1设备类型273

17.2模块274

17.2.1Hello，World274

17.2.2构建模块275

17.2.3安装模块277

17.2.4产生模块依赖性277

17.2.5载入模块278

17.2.6管理配置选项279

17.2.7模块参数280

17.2.8导出符号表282

17.3设备模型283

17.3.1kobject283

17.3.2ktype284

17.3.3kset285

17.3.4kobject、ktype和kset的相互关系285

17.3.5管理和操作kobject286

17.3.6引用计数287

17.4sysfs288

17.4.1sysfs中添加和删除kobject 290

17.4.2向sysfs中添加文件291

17.4.3内核事件层293

17.5小结294

第18章调试295

18.1准备开始295

18.2内核中的bug296

18.3通过打印来调试296

18.3.1健壮性296

18.3.2日志等级297

18.3.3记录缓冲区298

18.3.4syslogd和klogd298

18.3.5从printf()到printk()的转换298

18.4oops298

18.4.1ksymoops300

18.4.2kallsyms300

18.5内核调试配置选项301

18.6引发bug并打印信息301

18.7神奇的系统请求键302

18.8内核调试器的传奇303

18.8.1gdb303

18.8.2kgdb304

18.9探测系统304

18.9.1用UID作为选择条件304

18.9.2使用条件变量305

18.9.3使用统计量305

18.9.4重复频率限制305

18.10用二分查找法找出引发罪恶的变更306

18.11使用Git进行二分搜索307

18.12当所有的努力都失败时：社区308

18.13小结308

第19章可移植性309

19.1可移植操作系统309

19.2Linux移植史310

19.3字长和数据类型311

19.3.1不透明类型313

19.3.2指定数据类型314

19.3.3长度明确的类型314

19.3.4char型的符号问题315

19.4数据对齐315

19.4.1避免对齐引发的问题316

19.4.2非标准类型的对齐316

19.4.3结构体填补316

19.5字节顺序318

19.6时间319

19.7页长度320

19.8处理器排序320

19.9SMP、内核抢占、高端内存321

19.10小结321

第20章补丁、开发和社区322

20.1社区322

20.2Linux编码风格322

20.2.1缩进323

20.2.2switch语句323

20.2.3空格324

20.2.4花括号325

20.2.5每行代码的长度326

20.2.6命名规范326

20.2.7函数326

20.2.8注释326

20.2.9typedef327

20.2.10多用现成的东西328

20.2.11在源码中减少使用ifdef328

20.2.12结构初始化328

20.2.13代码的事后修正329

20.3管理系统329

20.4提交错误报告329

20.5补丁330

20.5.1创建补丁330

20.5.2用Git创建补丁331

20.5.3提交补丁331

20.6小结332

参考资料333