Linux 内核完全注释（20周年版） 赵炯

赵炯博士的Linux内核源码书系列自从问世以来，在全国乃至世界范围内产生了很大影响。第一批读者受惠良多，早已成为IT大厂的中坚力量。20年过去了，Linux内核的体量发生了巨大变化，这更加凸显了“从小内核学起”的理念的正确。阅读本书，会帮助读者少走弯路，快速理解Linux的精髓，早日成长为合格的开发人员和系统架构师。

本书对早期的Ｌｉｎｕｘ操作系统内核（ｖ０.１１）全部源代码文件进行了详细的注释和说明，旨在帮助读者够在短时间内对Ｌｉｎｕｘ的工作机理获得全面而深刻的理解，为进一步学习和研究Ｌｉｎｕｘ系统打下坚实的基础。书中首先介绍了Ｌｉｎｕｘ系统的发展历史，着重说明了各个内核版本之间的重要区别，给出了选择０.１１版作为研究对象的原因；然后依据内核源代码的组织结构对所有代码进行了详细注释。在注释的同时，还介绍了读者应该了解的相关知识，并给出了相关的硬件信息。本书还介绍了内核源代码的组织结构及相互关系。

赵炯，工学博士，计算机专家，Intel公司访问学者，国际计算机仿真协会、上海市通信学会会员。研究方向为计算机通信。曾经为本科、硕士和博士研究生开设《计算机网络》、《计算机通信技术》、《计算机通信与工控网络》、《微型计算机》和《计算机原理》等课程。参与国家自然科学基金项目“系统芯片在线测试与容错技术研究”和上海市自然科学基金“基于节点主动控制的大规模复杂输送系统控制模型研究”等工作。

前言
第1章概述1
1.1 Ｌｉｎｕｘ的诞生和发展1
1.1.1 ＵＮＩＸ、ＭＩＮＩＸ、ＧＮＵ和ＰＯＳＩＸ1
1.1.2 Ｌｉｎｕｘ操作系统的诞生和版本的变迁1
1.2 内容综述3
1.3 本章小结5
1.4 习题6
第2章Ｌｉｎｕｘ内核体系结构7
2.1 Ｌｉｎｕｘ内核模式和体系结构7
2.2 Ｌｉｎｕｘ中断机制9
2.3 Ｌｉｎｕｘ系统定时10
2.4 Ｌｉｎｕｘ内核进程控制11
2.4.1 任务数据结构11
2.4.2 进程运行状态11
2.4.3 进程初始化12
2.4.4 创建新进程14
2.4.5 进程调度14
2.4.6 终止进程15
2.5 Ｌｉｎｕｘ内核对内存的使用方法16
2.6 Ｌｉｎｕｘ系统中堆栈的使用方法19
2.6.1 初始化阶段19
2.6.2 任务的堆栈20
2.6.3 内核态与用户态堆栈之间的切换21
2.7 Ｌｉｎｕｘ内核源代码的目录结构21
2.7.1 引导启动程序目录ｂｏｏｔ22
2.7.2 文件系统目录ｆｓ22
2.7.3 头文件主目录ｉｎｃｌｕｄｅ23
2.7.4 内核初始化程序目录ｉｎｉｔ23
2.7.5 内核程序主目录ｋｅｒｎｅｌ24
2.7.6 内核库函数目录ｌｉｂ25
2.7.7 内存管理程序目录ｍｍ26
2.7.8 编译内核工具程序目录ｔｏｏｌｓ26
2.8 内核系统与用户程序的关系26
2.9 Ｌｉｎｕｘ内核的编译实验环境26
2.10 ｌｉｎｕｘ／Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件28
2.11 本章小结34
2.12 习题35
第3章内核引导启动程序36
3.1 总体功能描述36
3.2 程序分析37
3.2.1 ｂｏｏｔｓｅｃｔ.ｓ程序37
3.2.2 ｓｅｔｕｐ.ｓ程序44
3.2.3 ｈｅａｄ.ｓ程序52
3.3 本章小结60
3.4 习题60
第4章内核初始化过程61
4.1 ｍａｉｎ.ｃ程序分析61
4.2 本章小结68
4.3 习题69
第5章进程调度与系统调用70
5.1 总体功能描述70
5.1.1 中断处理程序70
5.1.2 系统调用处理相关程序71
5.2 程序分析72
5.2.1 ａｓｍ.ｓ程序72
5.2.2 ｔｒａｐｓ.ｃ程序77
5.2.3 ｓｙｓｔｅｍｃａｌｌ.ｓ程序83
5.2.4 ｍｋｔｉｍｅ.ｃ程序91
5.2.5 ｓｃｈｅｄ.ｃ程序92
5.2.6 ｓｉｇｎａｌ.ｃ程序103
5.2.7 ｅｘｉｔ.ｃ程序108
5.2.8 ｆｏｒｋ.ｃ程序112
5.2.9 ｓｙｓ.ｃ程序117
5.2.10 ｖｓｐｒｉｎｔｆ.ｃ程序122
5.2.11 ｐｒｉｎｔｋ.ｃ程序127
5.2.12 ｐａｎｉｃ.ｃ程序128
5.3 本章小结129
5.4 习题129
第6章输入输出系统——块设备驱动程序130
6.1 总体功能描述130
6.1.1 块设备请求项和请求队列130
6.1.2 块设备操作方式132
6.2 程序分析133
6.2.1 ｂｌｋ.ｈ文件133
6.2.2 ｈｄ.ｃ程序136
6.2.3 ｌｌｒｗｂｌｋ.ｃ程序149
6.2.4 ｒａｍｄｉｓｋ.ｃ程序154
6.2.5 ｆｌｏｐｐｙ.ｃ程序157
6.3 本章小结170
6.4 习题170
第7章输入输出系统——字符设备驱动程序171
7.1 总体功能描述171
7.1.1 终端驱动程序基本原理171
7.1.2 终端基本数据结构172
7.1.3 规范模式和非规范模式174
7.1.4 控制台驱动程序175
7.1.5 串行终端驱动程序176
7.1.6 终端驱动程序接口177
7.2 程序分析177
7.2.1 ｋｅｙｂｏａｒｄ.Ｓ程序177
7.2.2 ｃｏｎｓｏｌｅ.ｃ程序191
7.2.3 ｓｅｒｉａｌ.ｃ程序210
7.2.4 ｒｓｉｏ.ｓ程序213
7.2.5 ｔｔｙ_ｉｏ.ｃ程序216
7.2.6 ｔｔｙ_ｉｏｃｔｌ.ｃ程序225
7.3 本章小结230
7.4 习题230
第8章数学协处理器231
8.1 ｍａｔｈｅｍｕｌａｔｉｏｎ.ｃ程序分析231
8.2 本章小结232
8.3 习题232
第9章文件系统233
9.1 总体功能描述233
9.1.1 ＭＩＮＩＸ文件系统233
9.1.2 高速缓冲区237
9.1.3 文件系统底层函数237
9.1.4 文件中数据的访问操作237
9.2 程序分析239
9.2.1 ｂｕｆｆｅｒ.ｃ程序239
9.2.2 ｂｉｔｍａｐ.ｃ程序251
9.2.3 ｉｎｏｄｅ.ｃ程序255
9.2.4 ｓｕｐｅｒ.ｃ程序264
9.2.5 ｎａｍｅｉ.ｃ程序272
9.2.6 ｆｉｌｅｔａｂｌｅ.ｃ程序292
9.2.7 ｂｌｏｃｋｄｅｖ.ｃ程序292
9.2.8 ｆｉｌｅｄｅｖ.ｃ程序295
9.2.9 ｐｉｐｅ.ｃ程序297
9.2.10 ｃｈａｒｄｅｖ.ｃ程序300
9.2.11 ｒｅａｄｗｒｉｔｅ.ｃ程序303
9.2.12 ｔｒｕｎｃａｔｅ.ｃ程序306
9.2.13 ｏｐｅｎ.ｃ程序307
9.2.14 ｅｘｅｃ.ｃ程序312
9.2.15 ｓｔａｔ.ｃ程序322
9.2.16 ｆｃｎｔｌ.ｃ程序323
9.2.17 ｉｏｃｔｌ.ｃ程序325
9.3 本章小结326
9.4 习题326
第10章内存管理328
10.1 总体功能描述328
10.1.1 内存分页管理机制328
10.1.2 Ｌｉｎｕｘ中内存的管理和分配331
10.1.3 写时复制机制332
10.2 程序分析332
10.2.1 ｍｅｍｏｒｙ.ｃ程序332
10.2.2 ｐａｇｅ.ｓ程序345
10.3 本章小结346
10.4 习题346
第11章包含文件347
11.1 程序分析347
11.1.1 ｉｎｃｌｕｄｅ／目录下的文件347
11.1.2 ａ.ｏｕｔ.ｈ文件347
11.1.3 ｃｏｎｓｔ.ｈ文件356
11.1.4 ｃｔｙｐｅ.ｈ文件356
11.1.5 ｅｒｒｎｏ.ｈ文件357
11.1.6 ｆｃｎｔｌ.ｈ文件359
11.1.7 ｓｉｇｎａｌ.ｈ文件360
11.1.8 ｓｔｄａｒｇ.ｈ文件362
11.1.9 ｓｔｄｄｅｆ.ｈ文件363
11.1.10 ｓｔｒｉｎｇ.ｈ文件363
11.1.11 ｔｅｒｍｉｏｓ.ｈ文件372
11.1.12 ｔｉｍｅ.ｈ文件379
11.1.13 ｕｎｉｓｔｄ.ｈ文件380
11.1.14 ｕｔｉｍｅ.ｈ文件385
11.1.15 ｉｎｃｌ

本书是一本有关Ｌｉｎｕｘ操作系统内核工作原理的入门读物，主要目标是使用尽量少的篇幅和有限的学习时间，对完整的Ｌｉｎｕｘ内核源代码进行解剖，使读者对操作系统的基本功能和实现方式有一个全面的理解。
目前已有的阐述Ｌｉｎｕｘ内核的书籍，均尽量选用最新Ｌｉｎｕｘ内核版本进行描述，但由于这些版本的内核源代码庞大，只能对源代码进行选择性的讲解，许多实现细节被忽略。本书则对完整的Ｌｉｎｕｘ内核源代码进行了全面解剖。表面看来，本书对Ｌｉｎｕｘ早期内核版本注释的内容似乎过时，但通过学习你会发现，利用本书学习Ｌｉｎｕｘ内核，由于源代码短小精干，因此会有极高的学习效率，能够做到事半功倍，快速入门，并为进一步选择新内核学习打下坚实的基础。
正如Ｌｉｎｕｘ系统的创始人Ｌｉｎｕｓ所说，要理解一个系统的真正运行机制，一定要阅读其源代码。系统本身是一个整体，具有很多看似不重要的细节。只有在详细阅读过完整的内核源代码之后，才会对整个系统的运作过程有深刻的理解。以后再选择较新内核源代码进行学习时，也不会碰到大问题，基本上都能顺利地理解新代码的内容。
为了帮助读者提高学习效率，作者通过对多个Ｌｉｎｕｘ内核版本进行比较和选择，最终选择了与目前Ｌｉｎｕｘ内核基本功能较为相近，又非常短小的０．１１版作为入门学习的最佳版本。０.１１版内核源代码只有一万四千行左右（３２５ＫＢ），其中包括的内容基本上都是Ｌｉｎｕｘ系统的精髓。
在阅读本书时，读者应该具备基本的有关８０ｘ８６处理器编程和相关外围硬件的知识，还应具备使用Ｌｉｎｕｘ系统的初级技能。由于Linux最早是根据Ｍ．Ｊ．Ｂａｃｈ的《ＵＮＩＸ操作系统设计》一书的基本原理开发的，因此若能适当参考该书，则更有利于对源代码的理解。
在对每个程序进行描述时，我们首先说明程序的主要用途、输入输出参数以及与其他程序的关系，然后在程序中对代码进行详细注释。注释时对源代码和原注释不作任何改动。在代码之后是对程序中出现的一些语句或硬件方面的相关知识进行说明。
本书所需的一些基本概念均分布在各章中，这样编排主要是为了能够使读者方便地找到相关信息，而且在结合源代码阅读时，对一些基本概念能有更深的理解。另外，由于篇幅所限，我们对内核源代码多数文件开始处的版权信息作了省略，但程序中的行号仍然按原来的编号。
最后要说明的是，当你已经完全理解了本文解说的一切时，并不代表你已经成为一个Ｌｉｎｕｘ行家了，你只是刚刚踏上Ｌｉｎｕｘ的征途，具有了成为一个Ｌｉｎｕｘ高手的初步知识。这时你应该去阅读更多的源代码。本书读者群的定位是一些知晓Ｌｉｎｕｘ系统一般使用方法或具有一定编程经验，但比较缺乏阅读目前最新内核源代码的基础，又急切希望能够进一步理解类ＵＮＩＸ操作系统内核工作原理和实际代码实现的爱好者。在阅读时可以参考为本书专门开设的网站ｗｗｗ．ｏｌｄｌｉｎｕｘ．ｏｒｇ。从中可以下载到很多学习资料和上机实习软件，也可以进行在线讨论。