本书从工业需求角度出发，注重效率和实用性，是帮助内核研发及调试、驱动开发等领域工程师正确认识并高效利用Linux内核的难得佳作！

作者是腾讯公司资深的Linux内核专家和存储系统专家，在该领域工作和研究的10余年间，面试了数百位Linux内核工程师，深知学习Linux内核过程中经常遇到的困惑，以及在工作中容易犯的错误。基于这些原因作者撰写了本书。

本书出发点和写作方式可谓独辟蹊径，将Linux内核分为两个维度，一是基础部分和应用部分，二是内核架构和内核实现，将两个维有机统一，深入分析了Linux内核的文件系统、设备驱动的架构设计与实现原理。

全书在逻辑上分为三部分：

第一部分（第1～2章）首先将内核层划分为基础层和应用层，讲解了基础层包含的服务和数据结构，以及应用层包含的各种功能，然后对文件系统的架构进行了提纲挈领的介绍，为读者学习后面的知识打下基础。

第二部分（第3～9章）从设备到总线到驱动，逐步深入，剖析了设备的总体架构、为设备服务的特殊文件系统sysfs、字符设备和input设备、platform总线、serio总线、PCI总线、块设备的实现原理和工作机制。

第三部分（第10～13章）对文件系统的读写机制进行了深入分析，最后通过一个真实文件系统ext2，复习本书所有知识点。

作者：高剑林
机械工业出版社
2014年1月第1版第1次印刷
标准书号：ISBN 978-7-111-44585-2
定　　价：59.00元

为什么要写这本书

目前市面上关于Linux内核方面的书籍可以分为两类，一类是学院派书籍，其中比较有名的包括《深入理解Linux内核》（ULK）等；一类是国内特有的培训教材。大体而言，学院派的书籍体系一般很完整，在广度和深度上都有完善的阐述。可惜也正因为它的完整、复杂和庞大，使得阅读学院派的书籍往往是个艰巨的任务。ULK这本书已经有八百页的体量，还有很多细节知识没有讲述，而早期的《内核情景分析》一书更是达到上千页的体量。以至于业界公认内核的学习曲线最陡峭，学习难度最大。

而本书是从工业界角度出发，为工业界使用而写。比较关注计算机科学方面进展的工程师，应可以意识到计算机科学和计算机工业是两个不同的领域。前者注重创新和理论完备，后者注重效率和实用。从效率和实用的角度，需要在降低学习难度的基础上提供相对体系化的结构，这就必须对庞大复杂的内核进行分解和抽取，这也正是本书试图将内核分解为基础层和应用层的原因。

这些年来，笔者先后面试过上百位内核工程师，组织过多次讲座或者交流会议，和国内多家公司的一流工程师有过深入交流。总体而言，国内内核应用和开发的水平处于非常低的水平，这一方面表现在理解内核的技术人员在国内总体上不多，即使是专业的内核的工程师，对内核的一些基本问题理解不清甚至理解错误的也不在少数；另一方面是大多数人认为内核在工作中用处不大，很难发挥价值。

针对第一个问题，笔者做过调查问卷，通过调查发现，公认学习内核最大的问题就是内核代码的难懂和跳跃。从一个函数跳到另一个函数，然后又跳到下一个函数，对执行的逻辑难以理解。跳跃超过三次，基本就难以继续，只能放弃。第二个问题和第一个问题强相关。因为了解不够系统，很难形成整体的内核执行逻辑。而实际工作中碰到的问题总是千变万化，个人了解的一块未必能碰到。比如一个文件系统只读问题，是内核VFS层的问题？是文件系统自身？还是块设备或者硬盘的问题？如果不能形成清晰的视图，就很难有针对性的调试和改进。

按照方法论的观点，通常人类的学习过程是从易到难、从部分到整体、从已知到未知。而对内核的学习有其特殊之处，内核几乎是九十度的学习曲线，极难找到入门的路径，更别说快速流畅地阅读内核代码了。从那时起，笔者开始对内核进行整理，希望能找到一条学习的路径，在不断探索过程中，逐渐形成一份文档，然后通过一些培训活动验证了其有效，最终形成了本书。

本书可以归纳为两个思路。一个是对内核代码的分类。笔者把内核分为基础部分和应用部分。内核中的内存管理、任务调度和中断异常处理归为基础部分。而文件系统、设备管理和驱动归为应用部分。打开一份完整的内核代码统计一下，应用部分占了绝大多数，庞大复杂，但冗余很多，很多代码具有相似性；而基础部分则是短小精悍。应用部分经常要调用基础部分提供的内存管理、任务调度等服务。为了快速理解基础部分，首先要整理基础部分的服务，理解在内核中如何使用基础部分的服务。

第二个思路是把内核分为内核架构和内核实现。内核架构是内核中通用的、具普遍性的层次，比如块设备、字符设备、总线、文件系统的VFS层等。理解了内核架构，就对内核有了整体上的掌握，就能了解内核设计者的思路，进而快速流畅地阅读内核代码。但即使理解了内核架构，也还有很多具体问题要攻克。比如驱动中一个寄存器的使用、设备链路状态如何检测、文件系统如何使用barrier I/O、同步和异步I/O的区别等。这是需要开发人员仔细研读和琢磨的。本书试图归纳整理出内核的常用架构层，这些架构层具有举一反三的作用，它们构成了Linux内核的骨架。

发展到今天，内核已经非常庞大和复杂。本书希望通过一些架构层次代码的分析，结合简单的例子，帮助读者理解内核的整体框架。当碰到内核问题或者需要加入某些内核功能或者修改某些实现时，可以迅速流畅地阅读相关代码，确定自己的方案，而不至于茫然无措。而对于细节的实现，则需要程序员根据自己的需求来设计。

关于内核版本，本书用的是2.6.18版。内核有一套自己的不兼容策略，不同内核版本之间经常不能编译，至于函数消失和数据结构修改更是家常便饭。所以我们只能选择一个版本作为基础。

阅读内核代码前的准备：下载一份完整的内核，Linux内核的官方网站是http://www.kernel.org，这里可以下载到各个版本的内核；再准备一个好的代码阅读软件，因为内核代码经常要前后关联阅读，所以需要具有代码工程管理的软件，强烈推荐source insight，这是国内应用很广的一个软件。

另外，本书已经假设读者能编译和安装模块，并且具有计算机基本结构的知识。此外，有一台已安装了Linux系统的计算机或者虚拟机，并且经常实战练习。

由于笔者水平有限，而且从架构层次分析内核代码，可用来参考的资料很少，希望广大读者能多提意见，共同推进中国的技术水平。

任何书籍都不能替代读者自己对内核实际代码的研究和学习。但如果没有书籍，浩如云烟的内核代码让有志学习者茫然，而低效率地一点点啃代码也会浪费大量的时间。书籍的作用是带领读者入门，读者需要尽快转入自我学习阶段，对需要的部分代码自行分析和研究。

读者对象

本书适合以下读者阅读参考：

• 大专院校在校学生；
• 对系统内核感兴趣，有志于从事内核研发的人员；
• 从事驱动开发的工程师；
• 从事操作系统内核方面工作的工程师；
• 负责Linux系统调试和优化的技术人员。

如何阅读本书

本书将整个内核分为基础层和应用层。这种划分大大减少了阅读内核的难度，但是仍然需要对基础层有全面正确的理解。本书第1章介绍了内核的基础层，读者应该多做一些实践练习，才能加深理解。

第2章是本书提纲挈领的一章，重点介绍了文件系统的基础知识。文件系统在应用层的位置非常重要，因此只有掌握了文件系统的重要概念、理解了基本的操作过程才能为整体理解内核打下良好的基础。

第3～9章是关于设备的章节。建议读者结合具体的设备，从设备到总线再到驱动，逐步深入。本书的章节安排遵循从易到难、代码结合实例的方式，相信读者可以比较顺畅地阅读并理解。

第10～13章，再次对文件系统的读写和内核通用块层进行阐述。阅读的过程中，读者若能结合实际做一些小的程序，则可以帮助迅速提升能力。比如自己实现内核的I/O路径或者实现一个模拟的块设备系统，实践中应用才是能力提升的最佳途径。

勘误和支持

由于笔者的水平有限，加之编写时间仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。书中的全部源文件可以从华章网站下载。如果你有更多的宝贵意见，也欢迎发送邮件至邮箱easyblue99@hotmail.com，期待能够得到你们的真挚反馈。

致谢

感谢IBM公司的小强、中兴的老谢、百度的子旬、索尼的大A以及淘宝、Intel、微软、搜狐、新浪等公司的各位朋友。与你们的一次次讨论澄清了很多概念和问题，使我受益良多。

感谢机械工业出版社华章公司的编辑白宇，是你认真审核每一章的内容，提高了书稿的质量。编辑是个清苦的职业，远远谈不上令人羡慕，但不论多少生活的烦恼，白女士总是耐心修改，职业精神令人敬佩。

感谢我的亲人们，特别要感谢我的母亲，她是中国核工业的早期建设者，在艰难中养育了三个孩子，谨以此书献给我的母亲杨玉芳女士。感谢我的妻子和女儿，你们是我永远的动力之源。

目　录

• 前　言
• 第1章　内核的基础层和应用层 1
• 1.1 内核基础层提供的服务 1
• 1.1.1 内核中使用内存 2
• 1.1.2 内核中的任务调度 2
• 1.1.3 软中断和tasklet 3
• 1.1.4 工作队列 4
• 1.1.5 自旋锁 5
• 1.1.6 内核信号量 5
• 1.1.7 原子变量 5
• 1.2 内核基础层的数据结构 6
• 1.2.1 双向链表 6
• 1.2.2 hash链表 6
• 1.2.3 单向链表 7
• 1.2.4 红黑树 7
• 1.2.5 radix树 7
• 1.3 内核应用层 8
• 1.4 从Linux内核源码结构纵览内核 9
• 1.5 内核学习和应用的四个阶段 10
• 1.6 本章小结 11
• 第2章　文件系统 12
• 2.1 文件系统的基本概念 12
• 2.1.1 什么是VFS 13
• 2.1.2 超级块super_block 13
• 2.1.3 目录项dentry 14
• 2.1.4 索引节点inode 15
• 2.1.5 文件 17
• 2.2 文件系统的架构 17
• 2.2.1 超级块作用分析 17
• 2.2.2 dentry作用分析 18
• 2.2.3 inode作用分析 20
• 2.2.4 文件作用分析 21
• 2.3 从代码层次深入分析文件系统 21
• 2.3.1 一个最简单的文件系统aufs 22
• 2.3.2 文件系统如何管理目录和文件 26
• 2.3.3 文件系统的挂载过程 38
• 2.3.4 文件打开的代码分析 42
• 2.4 本章小结 59
• 第3章　设备的概念和总体架构 60
• 3.1 设备的配置表 60
• 3.2 访问设备寄存器和设备内存 61
• 3.3 设备中断和DMA 61
• 3.4 总线对设备的扫描 62
• 3.5 设备驱动管理 62
• 3.6 本章小结 62
• 第4章　为设备服务的特殊文件系统sysfs 63
• 4.1 文件和目录的创建 63
• 4.1.1 sysfs文件系统的初始化 64
• 4.1.2 sysfs文件系统目录的创建 64
• 4.1.3 普通文件的创建 68
• 4.2 sysfs文件的打开操作 69
• 4.2.1 real_lookup函数详解 70
• 4.2.2 为文件创建inode结构 70
• 4.2.3 为dentry结构绑定属性 71
• 4.2.4 调用文件系统中的open函数 72
• 4.3 sysfs文件的读写 74
• 4.3.1 读文件的过程分析 74
• 4.3.2 写文件的过程分析 75
• 4.4 kobject结构 76
• 4.4.1 kobject和kset的关系 76
• 4.4.2 kobject实例：总线的注册 77
• 4.5 本章小结 79
• 第5章　字符设备和input设备 80
• 5.1 文件如何变成设备 80
• 5.1.1 init_special_inode函数 80
• 5.1.2 def_chr_fops结构 81
• 5.2 input设备的注册 82
• 5.2.1 主从设备号 83
• 5.2.2 把input设备注册到系统 84
• 5.2.3 设备区间的登记 85
• 5.2.4 注册字符设备 86
• 5.2.5 打开input设备 87
• 5.3 input设备架构 88
• 5.3.1 注册input设备的驱动 88
• 5.3.2 匹配input管理的设备和驱动 89
• 5.3.3 注册input设备 90
• 5.4 本章小结 92
• 第6章　platform总线 93
• 6.1 从驱动发现设备的过程 93
• 6.1.1 驱动的初始化 93
• 6.1.2 注册驱动 94
• 6.1.3 为总线增加一个驱动 95
• 6.1.4 驱动加载 95
• 6.1.5 遍历总线上已经挂载的设备 96
• 6.2 从设备找到驱动的过程 98
• 6.2.1 注册设备和总线类型 98
• 6.2.2 注册设备的资源 99
• 6.2.3 增加一个设备对象 100
• 6.3 本章小结 102
• 第7章　serio总线 103
• 7.1 什么是总线适配器 103
• 7.2 向serio总线注册设备 103
• 7.2.1 注册端口登记事件 104
• 7.2.2 遍历总线的驱动 106
• 7.2.3 注册input设备 109
• 7.3 虚拟键盘驱动 110
• 7.3.1 键盘驱动的初始化 110
• 7.3.2 与设备建立连接 111
• 7.3.3 启动键盘设备 111
• 7.3.4 输入设备和主机系统之间的事件 112
• 7.4 键盘中断 112
• 7.4.1 q40kbd设备的中断处理 113
• 7.4.2 serio总线的中断处理 113
• 7.4.3 驱动提供的中断处理 113
• 7.5 本章小结 116
• 第8章　PCI总线 117
• 8.1 深入理解PCI总线 117
• 8.1.1 PCI设备工作原理 117
• 8.1.2 PCI总线域 118
• 8.1.3 PCI资源管理 118
• 8.1.4 PCI配置空间读取和设置 119
• 8.2 PCI设备扫描过程 120
• 8.2.1 扫描0号总线 120
• 8.2.2 扫描总线上的PCI设备 121
• 8.2.3 扫描多功能设备 124
• 8.2.4 扫描单个设备 125
• 8.2.5 扫描设备信息 125
• 8.3 本章小结 128
• 第9章　块设备 129
• 9.1 块设备的架构 129
• 9.1.1 块设备、磁盘对象和队列 129
• 9.1.2 块设备和通用磁盘对象的绑定 130
• 9.1.3 块设备的队列和队列处理函数 131
• 9.2 块设备创建的过程分析 132
• 9.2.1 nbd驱动的初始化 132
• 9.2.2 为通用磁盘对象创建队列成员 133
• 9.2.3 将通用磁盘对象加入系统 134
• 9.3 块设备文件系统 135
• 9.3.1 块设备文件系统的初始化 135
• 9.3.2 块设备文件系统的设计思路 136
• 9.4 块设备的打开流程 136
• 9.4.1 获取块设备对象 137
• 9.4.2 执行块设备的打开流程 140
• 9.5 本章小结 142
• 第10章　文件系统读写 143
• 10.1 page cache机制 143
• 10.1.1 buffer I/O和direct I/O 143
• 10.1.2 buffer head和块缓存 143
• 10.1.3 page cache的管理 144
• 10.1.4 page cache的状态 145
• 10.2 文件预读 146
• 10.3 文件锁 146
• 10.4 文件读过程代码分析 147
• 10.5 读过程返回 161
• 10.6 文件写过程代码分析 162
• 10.7 本章小结 169
• 第11章　通用块层和scsi层 170
• 11.1 块设备队列 170
• 11.1.1 scsi块设备队列处理函数 170
• 11.1.2 电梯算法和对象 171
• 11.2 硬盘HBA抽象层 172
• 11.3 I/O的顺序控制 173
• 11.4 I/O调度算法 173
• 11.4.1 noop调度算法 173
• 11.4.2 deadline调度算法 174
• 11.5 I/O的处理过程 178
• 11.5.1 I/O插入队列的过程分析 178
• 11.5.2 I/O出队列的过程分析 186
• 11.5.3 I/O返回路径 194
• 11.6 本章小结 203
• 第12章　内核回写机制 204
• 12.1 内核的触发条件 204
• 12.2 内核回写控制参数 204
• 12.3 定时器触发回写 205
• 12.3.1 启动定时器 205
• 12.3.2 执行回写操作 207
• 12.3.3 检查需要回写的页面 208
• 12.3.4 回写超级块内的inode 209
• 12.4 平衡写 213
• 12.4.1 检查直接回写的条件 214
• 12.4.2 回写系统脏页面的条件 215
• 12.4.3 检查计算机模式 216
• 12.5 本章小结 216
• 第13章　一个真实文件系统ext2 217
• 13.1 ext2的硬盘布局 217
• 13.2 ext2文件系统目录树 218
• 13.3 ext2文件内容管理 219
• 13.4 ext2文件系统读写 219
• 13.5 本章小结 219