Linux內(nèi)核設計的藝術(shù)：圖解Linux操作系統(tǒng)架構(gòu)設計與實現(xiàn)原理預售商品

前言
第1章　從開機加電到執(zhí)行main函數(shù)之前的過程1
1.1　啟動BIOS，準備實模式下的中斷向量表和中斷服務程序1
1.1.1　BIOS的啟動原理2
1.1.2　BIOS在內(nèi)存中加載中斷向量表和中斷服務程序3
1.2　加載操作系統(tǒng)內(nèi)核程序并為保護模式做準備4
1.2.1　加載第一部分代碼—引導程序（bootsect）5
1.2.2　加載第二部分代碼—setup7
1.2.3　加載第三部分代碼—system模塊12
1.3　開始向32位模式轉(zhuǎn)變，為main函數(shù)的調(diào)用做準備16
1.3.1　關(guān)中斷并將system移動到內(nèi)存地址起始位置0x0000016
1.3.2　設置中斷描述符表和全局描述符表18
1.3.3　打開A20，實現(xiàn)32位尋址20
1.3.4　為在保護模式下執(zhí)行head.s做準備21
1.3.5　head.s開始執(zhí)行24
1.4　本章小結(jié)41
第2章　從main到怠速42
2.1　開中斷之前的準備工作43
2.1.1　復制根設備號和硬盤參數(shù)表 44
2.1.2　物理內(nèi)存規(guī)劃格局45
2.1.3　虛擬盤設置與初始化46
2.1.4　內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)mem_map初始化47
2.1.5　異常處理類中斷服務程序掛接48
2.1.6　初始化塊設備請求項結(jié)構(gòu)50
2.1.7　與建立人機交互界面相關(guān)的外設的中斷服務程序掛接52
2.1.8　開機啟動時間設置55
2.1.9　系統(tǒng)開始激活進程056
2.1.10　進程相關(guān)事務初始化設置57
2.1.11　時鐘中斷設置59
2.1.12　系統(tǒng)調(diào)用服務程序掛接59
2.1.13　初始化緩沖區(qū)管理結(jié)構(gòu)61
2.1.14　初始化硬盤63
2.1.15　初始化軟盤65
2.1.16　開中斷66
2.2　進程創(chuàng)建的最基本動作67
2.2.1　操作系統(tǒng)為進程0創(chuàng)建進程1做準備67
2.2.2　在進程槽中為進程1 申請一個空閑位置并獲取進程號71
2.2.3　復制進程信息之前，先將一些數(shù)據(jù)壓棧73
2.2.4　初步設置進程1管理結(jié)構(gòu)74
2.2.5　進程0創(chuàng)建進程1的過程中發(fā)生時鐘中斷76
2.2.6　從時鐘中斷返回78
2.2.7　調(diào)整進程1管理結(jié)構(gòu)79
2.2.8　設置進程1的線性地址空間及物理頁面81
2.2.9　繼續(xù)調(diào)整進程1管理結(jié)構(gòu)84
2.2.10　操作系統(tǒng)如何區(qū)分進程0和進程187
2.2.11　進程0準備切換到進程189
2.2.12　系統(tǒng)切換到進程1執(zhí)行90
2.3　加載根文件系統(tǒng)92
2.3.1　進程1如何開始執(zhí)行96
2.3.2　進程1開始執(zhí)行98
2.3.3　進程1開始以數(shù)據(jù)塊的形式操作硬盤99
2.3.4　將找到的緩沖塊與請求項掛接101
2.3.5　將請求項與硬盤處理函數(shù)掛接104
2.3.6　進行硬盤讀盤前的準備工作105
2.3.7　給硬盤下達讀盤指令106
2.3.8　進程1由于等待讀盤操作掛起107
2.3.9　系統(tǒng)切換到進程0執(zhí)行109
2.3.10　進程0的執(zhí)行過程110
2.3.11　進程0執(zhí)行過程中發(fā)生硬盤中斷111
2.3.12　硬盤中斷服務程序響應后，進程0繼續(xù)執(zhí)行113
2.3.13　再次響應硬盤中斷并喚醒進程1114
2.3.14　讀盤操作完成后，進程1繼續(xù)執(zhí)行116
2.3.15　進程1繼續(xù)設置硬盤管理結(jié)構(gòu)117
2.3.16　進程1獲取軟盤超級塊，為加載根文件系統(tǒng)做準備118
2.3.17　進程1備份超級塊數(shù)據(jù)119
2.3.18　進程1將根文件系統(tǒng)從軟盤拷貝到虛擬盤120
2.3.19　進程1開始加載根文件系統(tǒng)122
2.3.20　進程1準備加載根文件系統(tǒng)超級塊123
2.3.21　進程1加載根文件系統(tǒng)超級塊124
2.3.22　進程1繼續(xù)加載根文件系統(tǒng)126
2.3.23　進程1準備讀取根目錄i節(jié)點127
2.3.24　進程1加載根目錄i節(jié)點128
2.3.25　進程1結(jié)束加載根文件系統(tǒng)的過程129
2.4　打開終端設備文件及復制文件句柄131
2.4.1　進程1與內(nèi)核文件表掛接，為打開文件做準備133
2.4.2　確定打開操作的起點135
2.4.3　獲得枝梢i節(jié)點—dev目錄文件的i節(jié)點136
2.4.4　確定dev目錄文件i節(jié)點為枝梢i節(jié)點137
2.4.5　繼續(xù)返回枝梢i節(jié)點138
2.4.6　查找tty0文件的i節(jié)點138
2.4.7　將tty0設備文件的i節(jié)點返回給sys_open系統(tǒng)調(diào)用 139
2.4.8　分析tty0文件i節(jié)點140
2.4.9　設置文件管理結(jié)構(gòu)并返回給用戶進程141
2.4.10　進程1復制tty0文件句柄142
2.4.11　進程1繼續(xù)復制tty0文件句柄144
2.5　創(chuàng)建進程2145
2.5.1　進程1準備創(chuàng)建進程2145
2.5.2　復制進程2管理結(jié)構(gòu)并進行調(diào)整146
2.5.3　設置進程2的頁目錄項并復制進程2的頁表146
2.5.4　調(diào)整進程2管理結(jié)構(gòu)中與文件有關(guān)的內(nèi)容146
2.5.5　進程1執(zhí)行過程中發(fā)生時鐘中斷148
2.5.6　進程1從時鐘中斷返回，準備切換到進程2150
2.6　進程1等待進程2退出150
2.6.1　進程1查找它自己的子進程151
2.6.2　對進程2的狀態(tài)進行處理151
2.6.3　切換到進程2執(zhí)行153
2.7　shell程序的加載154
2.7.1　進程2開始執(zhí)行156
2.7.2　為打開/etc/rc文件做準備156
2.7.3　進程2打開“/etc/rc”配置文件157
2.7.4　通過壓棧為加載shell文件做準備158
2.7.5　為參數(shù)和環(huán)境變量設置做準備159
2.7.6　得到shell文件的i節(jié)點160
2.7.7　為加載參數(shù)和環(huán)境變量做準備161
2.7.8　根據(jù)i節(jié)點，對shell文件進行檢測162
2.7.9　檢測shell文件頭163
2.7.10　備份文件頭并進行分析163
2.7.11　對shell文件進行進一步分析165
2.7.12　拷貝參數(shù)和環(huán)境變量166
2.7.13　調(diào)整進程2的管理結(jié)構(gòu)167
2.7.14　繼續(xù)調(diào)整進程2管理結(jié)構(gòu)168
2.7.15　釋放進程2繼承的頁面169
2.7.16　檢測協(xié)處理器170
2.7.17　調(diào)整shell程序所在的線性空間地址171
2.7.18　為shell程序準備參數(shù)和環(huán)境變量172
2.7.19　繼續(xù)調(diào)整進程2管理結(jié)構(gòu)173
2.7.20　調(diào)整EIP，使其指向shell程序入口地址173
2.7.21　shell程序執(zhí)行引發(fā)缺頁中斷175
2.7.22　缺頁中斷中shell程序加載前的檢測175
2.7.23　為即將載入的內(nèi)容申請頁面177
2.7.24　將shell程序載入新獲得的頁面177
2.7.25　根據(jù)shell程序的情況，調(diào)整頁面的內(nèi)容178
2.7.26　將線性地址空間與程序所在的物理頁面對應179
2.8　系統(tǒng)實現(xiàn)怠速180
2.8.1　shell進程準備創(chuàng)建update進程180
2.8.2　進程2開始執(zhí)行/etc/rc文件181
2.8.3　準備加載update進程181
2.8.4　update進程的作用182
2.8.5　shell程序檢測“/etc/rc”文件183
2.8.6　shell進程退出184
2.8.7　shell進程退出善后處理185
2.8.8　進程1清理shell進程管理結(jié)構(gòu)187
2.8.9　系統(tǒng)開始重建shell190
2.8.10　shell進程為何不會再次退出192
2.9　小結(jié)194
第3章　安裝文件系統(tǒng)195
3.1　獲取硬盤設備號196
3.1.1　用戶發(fā)出安裝硬盤文件系統(tǒng)指令196
3.1.2　從分析路徑開始，準備查找hd1設備的掛接點197
3.1.3　以根目錄i節(jié)點為依托，得到dev目錄文件的i節(jié)點197
3.1.4　從dev目錄文件中找到代表hd1設備文件的目錄項198
3.1.5　得到hd1設備文件的i節(jié)點號199
3.1.6　釋放dev目錄文件的相關(guān)內(nèi)容200
3.1.7　得到hd1設備文件的i節(jié)點200
3.1.8　獲得hd1設備的設備號200
3.1.9　釋放hd1設備文件的i節(jié)點201
3.2　獲取虛擬盤上的掛接點202
3.3　得到hd1設備文件的超級塊202
3.3.1　準備讀取hd1設備文件超級塊203
3.3.2　為hd1設備文件的超級塊找到存儲位置203
3.3.3　初始化空閑超級塊并加鎖203
3.3.4　從硬盤獲得hd1設備文件的超級塊204
3.3.5　加載邏輯塊位圖和i節(jié)點位圖205
3.4　將hd1設備文件與mnt目錄文件的i節(jié)點掛接206
3.5　小結(jié)207
第4章　文件操作208
4.1　打開文件211
4.1.1　用戶程序調(diào)用open庫函數(shù)產(chǎn)生軟中斷212
4.1.2　建立用戶進程與文件管理表的關(guān)系213
4.1.3　從硬盤上獲取helloc.txt文件的i節(jié)點214
4.1.4　將helloc.txt文件與文件管理表相掛接226
4.2　讀文件227
4.2.1　為按照用戶要求讀入文件做準備228
4.2.2　確定要讀入的數(shù)據(jù)塊的位置230
4.2.3　將指定的數(shù)據(jù)塊從硬盤讀入到高速緩沖塊233
4.2.4　將數(shù)據(jù)拷貝到用戶指定的內(nèi)存234
4.3　新建文件237
4.3.1　查找路徑“/mnt/user/hello.txt”238
4.3.2　為hello.txt文件新建一個i節(jié)點240
4.3.3　為hello.txt文件新建目錄項242
4.3.4　完成hello.txt新建操作并返回給用戶進程245
4.4　寫文件246
4.4.1　文件寫入前的準備工作248
4.4.2　確定hello.txt文件的寫入位置249
4.4.3　為數(shù)據(jù)的寫入申請緩沖塊252
4.4.4　將指定的寫入數(shù)據(jù)從用戶數(shù)據(jù)區(qū)拷貝到緩沖塊253
4.4.5　數(shù)據(jù)同步到硬盤的方法1255
4.4.6　將文件寫入硬盤的情況2257
4.5　修改文件260
4.5.1　對文件的當前操作指針進行重定位261
4.5.2　對文件進行修改261
4.6　關(guān)閉文件263
4.6.1　當前進程與文件管理表“脫鉤”264
4.6.2　將文件管理表中hello.txt對應的引用次數(shù)減1265
4.6.3　hello.txt文件與文件管理表“脫鉤”266
4.7　刪除文件268
4.7.1　系統(tǒng)準備刪除hello.txt文件268
4.7.2　刪除hello.txt文件在硬盤上對應的數(shù)據(jù)和i節(jié)點270
4.7.3　對hello.txt文件所在的user目錄做處理275
4.8　本章小結(jié)275
第5章　用戶進程與內(nèi)存管理277
5.1　用戶進程的創(chuàng)建277
5.1.1　為創(chuàng)建進程str1準備條件277
5.1.2　為str1進程管理結(jié)構(gòu)找到存儲空間279
5.1.3　復制str1進程管理結(jié)構(gòu)281
5.1.4　確定str1進程在線性空間中的位置282
5.1.5　復制str1進程頁表并設置其對應的頁目錄項283
5.1.6　調(diào)整str1進程中與文件相關(guān)的結(jié)構(gòu)285
5.1.7　建立str1進程與全局描述符表GDT的關(guān)聯(lián)286
5.1.8　將str1進程設為就緒態(tài)287
5.2　為用戶進程str1的加載做準備288
5.2.1　為str1進程加載自身對應的程序做準備288
5.2.2　讀取str1可執(zhí)行文件的i節(jié)點并統(tǒng)計參數(shù)和環(huán)境變量289
5.2.3　讀取str1可執(zhí)行文件的文件頭290
5.2.4　對str1可執(zhí)行程序文件頭進行分析291
5.2.5　拷貝str1可執(zhí)行程序的參數(shù)和環(huán)境變量292
5.2.6　調(diào)整str1進程管理結(jié)構(gòu)中可執(zhí)行程序?qū)膇節(jié)點292
5.2.7　繼續(xù)調(diào)整str1進程管理結(jié)構(gòu)—文件和信號相關(guān)的字段293
5.2.8　釋放str1進程的頁表294
5.2.9　重新設置str1的程序代碼段和數(shù)據(jù)段295
5.2.10　創(chuàng)建環(huán)境變量和參數(shù)指針表296
5.2.11　繼續(xù)根據(jù)str1可執(zhí)行程序情況調(diào)整str1進程管理結(jié)構(gòu)297
5.2.12　設置str1可執(zhí)行程序的棧指針和eip值297
5.3　對缺頁中斷的處理298
5.3.1　產(chǎn)生缺頁中斷并由操作系統(tǒng)響應298
5.3.2　為str1程序申請一個內(nèi)存頁面299
5.3.3　將str1程序加載到新分配的頁面中300
5.3.4　檢測是否需要對頁面剩余空間清0300
5.3.5　將str1程序占用的物理內(nèi)存地址與str1進程的線性地址空間對應301
5.3.6　不斷通過缺頁中斷加載str1程序的全部內(nèi)容301
5.3.7　str1程序需要壓棧302
5.3.8　str1程序第一次調(diào)用foo程序壓棧302
5.3.9　str1程序第二次壓棧，產(chǎn)生缺頁中斷302
5.3.10　處理str1程序第二次壓棧產(chǎn)生的缺頁中斷302
5.3.11　str1程序繼續(xù)執(zhí)行，反復壓棧并產(chǎn)生缺頁中斷303
5.3.12　str1程序運行結(jié)束后清棧303
5.4　str1用戶進程的退出305
5.4.1　str1進程準備退出305
5.4.2　釋放str1程序所占頁面305
5.4.3　解除str1程序與文件有關(guān)的內(nèi)容并給父進程發(fā)信號306
5.4.4　str1程序退出后執(zhí)行進程調(diào)度307
5.5　多個用戶進程“同時”運行308
5.5.1　依次創(chuàng)建str1、str2和str3進程308
5.5.2　str1進程壓棧的執(zhí)行效果309
5.5.3　str1運行過程中產(chǎn)生時鐘中斷并切換到str2執(zhí)行309
5.5.4　str2執(zhí)行過程遇到時鐘中斷切換到str3執(zhí)行310
5.5.5　三個程序執(zhí)行一段時間后在主內(nèi)存的分布格局311
5.6　進程的調(diào)度與切換311
5.6.1　str1剛被shell創(chuàng)建并處于就緒態(tài)311
5.6.2　shell進程將自己掛起,然后準備切換到str1執(zhí)行311
5.6.3　準備切換到str1進程執(zhí)行312
5.6.4　str1執(zhí)行時發(fā)生時鐘中斷314
5.6.5　時鐘中斷遞減str1運行的時間片315
5.6.6　str1執(zhí)行一段時間后掛起，shell進程新建str2進程315
5.6.7　str2運行期間發(fā)生時鐘中斷316
5.6.8　系統(tǒng)切換到str1程序執(zhí)行317
5.7　內(nèi)核的分頁318
5.7.1　為設置內(nèi)核的頁目錄表和頁表做準備—所占空間清0318
5.7.2　設置內(nèi)核對應的頁目錄項和頁表項的內(nèi)容319
5.7.3　設置內(nèi)核對應的全局描述符表GDT320
5.8　頁寫保護321
5.8.1　進程A和進程B共享頁面321
5.8.2　進程A準備進行壓棧操作322
5.8.3　進程A的壓棧動作引發(fā)頁寫保護322
5.8.4　將進程A的頁表指向新申請的頁面323
5.8.5　拷貝原頁面內(nèi)容到進程A新申請的頁面324
5.8.6　進程B準備操作共享頁面325
5.8.7　假設進程B先執(zhí)行壓棧操作的情況325
5.9　小結(jié)326
第6章　多個進程“同時”操作一個文件327
6.1　三個進程操作同一個文件327
6.1.1　進程A執(zhí)行，hello.txt文件被打開328
6.1.2　進程A讀取hello.txt文件并由于等待硬盤中斷而被系統(tǒng)掛起328
6.1.3　進程B準備打開hello.txt文件330
6.1.4　系統(tǒng)準備為進程B獲取hello.txt文件的i節(jié)點332
6.1.5　系統(tǒng)找到hello.txt文件已經(jīng)載入的i節(jié)點333
6.1.6　系統(tǒng)準備為進程B從硬盤上讀取hello.txt文件334
6.1.7　系統(tǒng)找到了正在操作的緩沖塊，將進程B掛起335
6.1.8　系統(tǒng)再次切換到進程0執(zhí)行337
6.1.9　進程C啟動并打開hello.txt文件337
6.1.10　進程C也由于等待緩沖塊解鎖而被系統(tǒng)掛起338
6.1.11　緩沖塊解鎖后先喚醒進程C339
6.1.12　系統(tǒng)將進程B設為就緒狀態(tài)340
6.1.13　系統(tǒng)將指定數(shù)據(jù)寫入緩沖塊341
6.1.14　寫入完成后，進程C繼續(xù)執(zhí)行341
6.1.15　進程C準備切換到進程B342
6.1.16　進程C切換到進程B執(zhí)行，進程B喚醒進程A342
6.1.17　進程B不斷執(zhí)行，直到時間片減為0后切換到進程A執(zhí)行343
6.1.18　進程A、B、C退出，寫入數(shù)據(jù)由update進程同步344
6.2　緩沖區(qū)與外設的數(shù)據(jù)同步344
6.2.1　系統(tǒng)不斷為進程A向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)346
6.2.2　繼續(xù)執(zhí)行引發(fā)緩沖塊數(shù)據(jù)需要同步346
6.2.3　將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)同步到硬盤上347
6.2.4　進程A由于等待空閑請求項而被系統(tǒng)掛起349
6.2.5　進程B開始執(zhí)行350
6.2.6　進程B也被掛起351
6.2.7　進程C開始執(zhí)行并隨后被掛起352
6.2.8　進程A和進程C均被喚醒352
6.2.9　進程B切換到進程A執(zhí)行354
6.3　小結(jié)356
第7章　IPC問題358
7.1　管道機制358
7.1.1　為管道文件在文件管理表中申請空閑項360
7.1.2　為管道文件與進程建立聯(lián)系創(chuàng)造條件360
7.1.3　創(chuàng)建管道文件i節(jié)點361
7.1.4　將管道文件i節(jié)點與文件管理表建立聯(lián)系362
7.1.5　將管道文件句柄返回給用戶進程363
7.1.6　讀管道進程開始操作管道文件363
7.1.7　寫管道進程向管道中寫入數(shù)據(jù)364
7.1.8　寫管道進程繼續(xù)向管道寫入數(shù)據(jù)366
7.1.9　寫管道進程已將管道空間寫滿366
7.1.10　寫管道進程掛起366
7.1.11　讀管道進程從管道中讀出數(shù)據(jù)367
7.1.12　讀管道進程繼續(xù)執(zhí)行，不斷從管道中讀出數(shù)據(jù)369
7.1.13　讀管道進程執(zhí)行中發(fā)生時鐘中斷369
7.1.14　讀管道進程執(zhí)行過程中再次發(fā)生時鐘中斷370
7.1.15　讀管道進程切換到寫管道進程執(zhí)行371
7.1.16　寫管道進程掛起切換到讀管道進程執(zhí)行371
7.1.17　讀管道進程繼續(xù)執(zhí)行，直到把管道中的數(shù)據(jù)讀完372
7.1.18　讀取完成后，讀進程掛起，寫進程繼續(xù)執(zhí)行373
7.2　信號機制374
7.2.1　processig進程開始執(zhí)行376
7.2.2　processig進程進入可中斷等待狀態(tài)377
7.2.3　sendsig進程開始執(zhí)行并向processig進程發(fā)信號379
7.2.4　系統(tǒng)檢測當前進程接收到信號并準備處理381
7.2.5　系統(tǒng)檢測信號處理函數(shù)指針掛接是否正常382
7.2.6　調(diào)整processig進程的內(nèi)核棧結(jié)構(gòu)，使之先執(zhí)行信號處理函數(shù)383
7.2.7　信號對進程執(zhí)行狀態(tài)的影響386
7.3　小結(jié)393
第8章　操作系統(tǒng)的設計指導思想395
8.1　運行一個最簡單的程序，看操作系統(tǒng)為程序運行做了哪些工作395
8.2　操作系統(tǒng)的設計指導思想—主奴機制398
8.2.1　主奴機制中的進程及進程創(chuàng)建機制399
8.2.2　操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理中的主奴機制400
8.2.3　操作系統(tǒng)在文件系統(tǒng)中體現(xiàn)的主奴機制401
8.3　實現(xiàn)主奴機制的三種關(guān)鍵技術(shù)402
8.3.1　保護和分頁402
8.3.2　特權(quán)級405
8.3.3　中斷405
8.4　建立主奴機制的決定性因素—先機407
8.5　軟件和硬件的關(guān)系：主機與進程、外設與文件408
8.5.1　非用戶進程—進程0、進程1、shell進程408
8.5.2　文件與數(shù)據(jù)存儲409
8.6　父子進程共享頁面414
8.7　操作系統(tǒng)的全局中斷與進程的局部中斷—信號414
8.8　小結(jié)415
結(jié)束語415
“新設計團隊”簡介416
附錄　搭建Linux 0.11系統(tǒng)環(huán)境421