庖丁解牛Linux内核分析

本书从理解计算机硬件的核心工作机制（存储程序计算机和函数调用堆栈）和用户态程序如何通过系统调用陷入内核（中断异常）入手，通过上下两个方向双向夹击的策略，并利用实际可运行程序的反汇编代码从实践的角度理解操作系统内核，分析Linux内核源代码，从系统调用陷入内核、进程调度与进程切换开始，最后返回到用户态进程。

本书配有丰富的实验指导材料和练习，适合作为高等院校计算机相关专业的指导用书，也适合Linux操作系统开发人员自学。

孟宁，高校教师、资 深码农，主讲课程获国家精品在线开放课程认定。在读行学、网易云课堂、学堂在线、实验楼等在线教育平台的累计注册学员达10万余人次，专注于Linux内核、互联网架构、软件工程、区块链、人工智能等技术领域，与华为、IBM等多家国内外知名企业和创业公司有技术合作。

娄嘉鹏，高校教师，曾荣获北京市优 秀教师，蓝墨云平台北京市十大魅力教师等称号，讲授Java程序设计、Linux内核原理与分析、网络攻防实战、移动平台开发等课程，研究方向包括Linux内核及安全、密码系统、软件工程等。

刘宇栋，高校教师，主要研究方向包括网络攻防技术、系统安全、社交网络分析等。并讲授操作系统、Linux内核原理与分析、网络对抗技术等课程。

适读人群 ：本书配有丰富的实验指导材料和练习，适合作为高等院校计算机相关专业的指导用书，也适合Linux操作系统开发人员自学。

基于本书内容的在线视频课程——“Linux操作系统分析”被教育部评为“国家精品在线开放课程”，被教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会评为“2018年度中国高校计算机教育慕课联盟优 秀在线开放课程”。

序

大大小小、可见与不可见的计算机已成为现代人日常工作、学习和生活中必不可少的工具。操作系统是计算机之魂，作为用户使用计算机的接口，它负责调度执行各个用户程序，使计算机完成特定的任务；作为计算机硬件资源的管理者，它负责协调计算机中各类设备高效地工作。操作系统的重要性不言而喻。

对于软件工程师，理解操作系统的工作原理和关键机制是设计高质量应用程序的前提，但要做到这一点是十分困难的。一方面，操作系统设计涉及计算机科学与工程学科的方方面面，包括数据结构与算法、计算机组成与系统结构、计算机网络，甚至程序设计语言与编译系统等核心知识，以及并发、同步和通信等核心概念。另一方面，作为一个复杂庞大的软件产品，理解操作系统更需要理论与实践深度结合。

操作系统的相关学习资料十分丰富。有阐述基本原理者，有剖析典型系统者，还有构造示例系统者；有面向专业理论者，亦有面向应用实践者。角度多种多样，内容简繁不一。

本书的最大特点在于作者结合其多年的Linux操作系统实际教学经验编撰而成。作为一位经验丰富的高级软件工程师和专业教师，本书作者基于自己学习和研究Linux的心得，创新性地以一个mykernel和MenuOS为基础实验平台进行教学和实验组织，实现了理论学习与工程实践的自然融合，达到了事半功倍的效果。同时，书中设计了丰富的单元测试题和实验，引导读者循序渐进地掌握所学知识，并有效地促进读者深入思考和实践所学内容。作者基于本书开设的操作系统课程，其教学形式涉及面对面的课堂教学和在线慕课教学，选课对象既包括软件工程硕士，又包括一般工程实践者，学习人数已数以万计。本书的出版体现了作者认真吸收大量的学员反馈，不断优化课程的教学内容和过程组织的成果。

易读性是本书的另一特色。作者采用二维码这一新媒体时代的代表性技术组织全书的内容，达到了兼顾完整性和简洁性的目标。

作为一名多年从事计算机系统结构研究和教学的教育工作者，我认为本书的出版对于提升国内操作系统教学和实践水平非常有益，相信它必将受到读者的喜爱！

李曦

第 1章　计算机工作原理 1
1.1 存储程序计算机工作模型 1
1.2 x86-32汇编基础 3
1.2.1　x86-32 CPU的寄存器 4
1.2.2　数据格式 6
1.2.3　寻址方式和常用汇编指令 7
1.2.4　汇编代码范例解析 11
1.3 汇编一个简单的C语言程序并分析其汇编指令执行过程 13
1.4 单元测试题 26
1.5 实验 27
第 2章　操作系统是如何工作的 29
2.1 函数调用堆栈 29
2.2 借助Linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作模型及时钟中断 32
2.2.1　内嵌汇编 32
2.2.2　虚拟一个x86的CPU硬件平台 34
2.3 在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核 36
2.3.1　代码范例 36
2.3.2　代码分析 42
2.4 单元测试题 48
2.5 实验 48
第3章　MenuOS的构造 50
3.1 Linux内核源代码简介 50
3.2 构造一个简单的Linux内核 56
3.3 跟踪调试Linux内核的启动过程 60
3.4 单元测试题 65
3.5 实验 66
第4章　系统调用的三层机制（上） 67
4.1 用户态、内核态和中断 67
4.2 系统调用概述 70
4.2.1　操作系统提供的API和系统调用的关系 70
4.2.2　触发系统调用及参数传递方式 71
4.3 使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用 72
4.3.1　使用库函数API触发一个系统调用 72
4.3.2　内嵌汇编语法简介 73
4.3.3　C代码中嵌入汇编代码触发一个系统调用 75
4.3.4　含两个参数的系统调用范例 76
4.3.5　通用的触发系统调用的库函数syscall 78
4.4 单元测试题 79
4.5 实验 80
第5章　系统调用的三层机制（下） 81
5.1 给MenuOS增加命令 81
5.2 使用gdb跟踪系统调用内核函数sys_time 83
5.3 系统调用在内核代码中的处理过程 85
5.3.1 中断向量0x80和system_call中断服务程序入口的关系 86
5.3.2 在system_call汇编代码中的系统调用内核处理函数 87
5.3.3 整体上理解系统调用的内核处理过程 88
5.4 单元测试题 91
5.5 实验 92
第6章　进程的描述和进程的创建 93
6.1 进程的描述 93
6.2 进程的创建 97
6.2.1 0号进程的初始化 98
6.2.2 内存管理相关代码 99
6.2.3 进程之间的父子、兄弟关系 100
6.2.4 保存进程上下文中CPU相关的一些状态信息的数据结构 101
6.2.5 进程的创建过程分析 103
6.3 单元测试题 120
第7章　可执行程序工作原理 122
7.1 ELF目标文件格式 122
7.1.1 ELF概述 122
7.1.2 ELF格式简介 123
7.1.3 相关操作指令 128
7.2 程序编译 129
7.2.1 预处理 129
7.2.2 编译 130
7.2.3 汇编 131
7.2.4 链接 133
7.3 链接与库 134
7.3.1 符号与符号解析 134
7.3.2 重定位 137
7.3.3 静态链接与动态链接 139
7.4 程序装载 143
7.4.1 程序装载概要 143
7.4.2 fork与execve内核处理过程 148
7.4.3 庄周梦蝶 153
7.4.4 小结 154
7.5 单元测试题 155
7.6 实验 156
第8章　进程的切换和系统的一般执行过程 158
8.1 进程调度的时机 158
8.1.1 硬中断与软中断 158
8.1.2 进程调度时机 159
8.2 调度策略与算法 161
8.2.1 进程的分类 161
8.2.2 调度策略 162
8.2.3 CFS调度算法 164
8.3 进程上下文切换 165
8.3.1 进程执行环境的切换 165
8.3.2 核心代码分析 167
8.4 Linux系统的运行过程 172
8.5 Linux系统构架与执行过程概览 174
8.5.1 Linux操作系统的构架 174
8.5.2 ls命令执行过程即涉及操作系统相关概念 175
8.6 进程调度相关源代码跟踪和分析 176
8.6.1 配置运行MenuOS系统 176
8.6.2 配置gdb远程调试和设置断点 177
8.6.3 使用gdb跟踪分析schedule()函数 177
8.7 单元测试题 179