Ubuntu 20管理入門與實作 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王進德

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《Linux 核心設計與實踐：從零開始構建高效能作業係統》 內容簡介 本書旨在深入探討現代作業係統——Linux 的核心架構、設計哲學與底層實作細節。它超越瞭基礎的使用與管理層麵，直接切入作業係統的心臟地帶，為讀者提供一個詳盡的、從源碼層麵理解 Linux 如何運作的藍圖。本書適閤具備一定程式設計基礎，渴望深入瞭解作業係統內部機製、並希望參與底層開發或優化工作的工程師、資深開發者及電腦科學專業學生。 第一部分：啟動序列與核心引導 本部分詳述從電腦硬體啟動到 Linux 核心完全接管控製權的整個過程。我們將分析 BIOS/UEFI 韌體的角色，以及引導載入程式（如 GRUB 2）如何將核心映象載入記憶體並準備初​​始環境。 啟動鏈剖析： 詳細解析韌體初始化、MBR/GPT 結構，以及引導載入程式的第二階段。 核心載入與解壓縮： 探討壓縮的 Linux 核心映象（vmlinuz）如何在記憶體中解壓，以及 `head.S` 匯編程式碼在建立初始頁麵錶、切換到保護模式或長模式中的關鍵職責。 初始化核心： 深入研究 `start_kernel()` 函數，這是所有 C 語言初始化工作的起點。我們將分析記憶體管理單元的初始化、計時器設定、以及中斷描述符錶（IDT）的建立過程，為多任務處理做好準備。 第二部分：記憶體管理單元（MMU）的精妙設計 記憶體管理是作業係統中最複雜也最關鍵的部分之一。本書將以架構依賴（如 x86-64）為基礎，結閤 Linux 核心的通用抽象層，全麵解析記憶體分配與保護機製。 虛擬記憶體與分頁機製： 詳細解釋分頁結構（Page Tables）、TLB 快取管理，以及核心如何處理分頁錯誤（Page Faults）。 物理記憶體管理： 分析「區塊分配器」（Zone Allocator）和「夥伴係統」（Buddy System）如何高效地管理物理頁框。讀者將瞭解 Slab、SLUB、SLOB 分配器如何為核心資料結構提供高效的快取服務，避免外部碎片化。 核心與使用者空間的記憶體隔離： 探討 `vm_area_struct` 的作用，以及核心如何通過記憶體保護機製確保使用者程式無法隨意存取受保護的記憶體區域。我們還會涉及記憶體映射（mmap）係統調用的底層實現。 第三部分：行程管理與排程器深度解析 行程（Process）與執行緒（Thread）是作業係統的基本單元。本章節將著重於 Linux 如何在有限的 CPU 資源上實現公平、高效的資源調度。 行程結構與上下文切換： 分析 `task_struct` 結構體所包含的全部重要資訊（如行程狀態、ID、記憶體描述符等）。詳述上下文切換（Context Switch）的匯編級實現細節，包括暫存器保存與恢復。 Cgroups 與命名空間（Namespaces）： 這是現代容器技術的基石。我們將詳細探討 Linux 控製群組（cgroups）如何實現資源限製（CPU、記憶體、I/O），以及各種命名空間（PID, Net, Mount, User, UTS）如何實現瞭作業係統層級的虛擬化。 完全公平排程器（CFS）詳解： CFG 不僅是 Linux 的預設排程器，也是現代排程理論的傑齣代錶。本書將深入剖析其核心概念——虛擬運行時間（vruntime），以及如何利用紅黑樹（Red-Black Tree）來實現公平性和響應性之間的權衡。 第四部分：同步、鎖定與中斷處理 在多核處理器環境下，資料競爭和同步問題是開發的重中之重。本部分聚焦於核心層級的同步機製。 同步原語： 徹底解析自鏇鎖（Spinlocks）、互斥鎖（Mutexes）、讀寫信號量（RW Semaphores）的使用場景與底層實現。重點分析它們在不同中斷層級（如禁用中斷、持有持有權）下的行為差異。 原子操作與記憶體屏障（Memory Barriers）： 介紹如何使用 GCC 內建函數和核心 API 進行原子操作，並詳盡解釋在多核係統中，記憶體屏障對於保證指令重排序的正確性所起到的決定性作用。 中斷與軟中斷（Softirqs）： 分析硬體中斷發生時，核心如何透過中斷描述符錶（IDT）快速響應，以及中斷描述符（IRQ Descriptors）的管理。特別探討 Bottom Halves 機製（Tasklets 和 Softirqs）如何將耗時的工作從中斷處理程序中移齣，以維持係統的響應性。 第五部分：檔案係統與虛擬檔案係統（VFS） Linux 提供瞭極其靈活的檔案存取介麵。本書將解析統一的 VFS 層如何抽象化底層的各種檔案係統。 VFS 抽象層： 深入理解 `super_block`, `inode`, `dentry`, 和 `file` 四大核心結構體的作用，它們是如何統一錶示目錄、檔案和檔案係統元數據的。 主流檔案係統內核實現： 以 Ext4 為例，分析其日誌機製（Journaling）、資料區塊的分配與迴收。同時，會簡要對比 Btrfs 或 XFS 的高級特性。 係統呼叫介麵： 分析 `open()`, `read()`, `write()`, `stat()` 等關鍵係統呼叫在核心中的實現路徑，展示使用者空間請求如何穿越係統呼叫層到達特定的檔案係統驅動。 第六部分：裝置驅動模型與核心模組化 現代 Linux 係統的彈性很大程度上歸功於其可插拔的裝置驅動模型。 驅動模型結構： 介紹 Kobject, Bus, Device, Driver 的層級關係，以及 Udev/Sysfs 如何在使用者空間公開這些結構。 核心模組（LKM）： 講解如何編譯、載入、卸載核心模組，以及模組初始化和清理函數的撰寫規範。分析模組如何註冊驅動介麵、處理 I/O 請求。 I/O 子係統基礎： 簡要介紹塊裝置（Block Device）的 I/O 堆疊，包括 I/O 排程器（如 Deadline 或 MQ）如何優化磁碟存取效率。 本書強調從理論到實作的無縫銜接，通過分析關鍵的 Linux 核心源碼片段（基於穩定版本），讀者將能夠真正掌握作業係統的「藝術與科學」。