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⑴ 嵌入式系统linux内核开发实战指南的目录

第1部分 嵌入式系统硬件开发
第1章 嵌入式系统概述 2
这一章对嵌入式系统的概念及其特点和应用作了概括介绍，笔者根据自己多年的经验阐述了对嵌入式系统的理解，并对一些常见的嵌入式处理器的硬件数据进行了比较。
1.1 嵌入式系统概念 2
1.2 嵌入式处理器 3
1.3 嵌入式系统应用 4
1.4 嵌入式系统发展 4
1.5 一些嵌入式处理器的硬件特性比较 5
第2章 ARM处理器概述 16
为了使本书内容完整，从第2章到第7章中的内容大部分是笔者阅读《ARM体系结构与编程》（详情参见附录中的参考文献）的笔记和心得，把与嵌入式系统开发和Linux内核密切相关的硬件知识进行了概括和整理，本章主要介绍了ARM处理器的特点、ARM处理器的体系架构版本和ARM处理器系列。
2.1 ARM发展历程 16
2.2 ARM处理器特点 17
2.3 ARM处理器应用 17
2.4 ARM体系架构 18
2.4.1 ARM体系架构版本 18
2.4.2 ARM体系架构变种（Variant） 20
2.4.3 ARM体系架构版本命名格式 22
2.5 ARM处理器 22
2.5.1 ARM7系列处理器 23
2.5.2 ARM9系列处理器 24
2.5.3 ARM9E系列处理器 24
2.5.4 ARM10E系列处理器 25
2.5.5 SecurCore系列处理器 25
2.5.6 StrongARM处理器 26
2.5.7 Xscale处理器 26
第3章 ARM指令及其寻址方式 27
本章主要介绍了ARM处理器的指令和寻址方式以及ARM汇编伪指令，这是做ARM处理器应用系统底层软件开发必备的知识。
3.1 ARM处理器的程序状态寄存器（PSR） 27
3.2 ARM指令的条件码 28
3.3 ARM指令介绍 29
3.3.1 跳转指令 29
3.3.2 数据处理指令 30
3.3.3 乘法指令 31
3.3.4 杂类算术指令 32
3.3.5 状态寄存器访问指令 32
3.3.6 Load/Store内存访问指令 33
3.3.7 批量Load/Store内存访问指令 34
3.3.8 LDREX和STREX指令 35
3.3.9 信号量操作指令 37
3.3.10 异常中断产生指令 37
3.3.11 ARM协处理器指令 37
3.4 ARM指令寻址方式 39
3.4.1 数据处理指令的操作数的寻址方式 39
3.4.2 字及无符号字节的Load/Store指令的寻址方式 43
3.4.3 杂类Load/Store指令的寻址方式 47
3.4.4 批量Load/Store指令的寻址方式 49
3.4.5 协处理器Load/Store指令的寻址方式 51
3.4.6 ARM指令的寻址方式总结 52
3.5 ARM汇编伪操作（Directive） 53
3.5.1 符号定义伪操作 54
3.5.2 数据定义伪操作 54
3.5.3 汇编控制伪操作 56
3.5.4 栈中数据帧描述伪操作 57
3.5.5 信息报告伪操作 57
3.5.6 其他伪操作 58
3.6 ARM汇编伪指令 59
3.7 Thumb指令介绍 60
第4章 ARM处理器内存管理单元（MMU） 61
本章主要介绍了ARM处理器内存管理单元（MMU）的工作原理，Linux内存管理功能是通过处理器硬件MMU实现的，在没有MMU的处理器系统中，Linux只能工作在物理地址模式，没有虚拟（线性）地址空间的概念。
4.1 ARM处理器中CP15协处理器的寄存器 61
4.1.1 访问CP15寄存器的指令 61
4.1.2 CP15寄存器介绍 62
4.2 MMU简介 70
4.3 系统访问存储空间的过程 71
4.3.1 使能MMU时的情况 71
4.3.2 禁止MMU时的情况 71
4.3.3 使能/禁止MMU时应注意的问题 72
4.4 ARM处理器地址变换过程 72
4.4.1 MMU的一级映射描述符 73
4.4.2 MMU的二级映射描述符 74
4.4.3 基于段的地址变换过程 75
4.4.4 粗粒度大页地址变换过程 75
4.4.5 粗粒度小页地址变换过程 76
4.4.6 细粒度大页地址变换过程 76
4.4.7 细粒度小页地址变换过程 77
4.4.8 细粒度极小页地址变换过程 77
4.5 ARM存储空间访问权限控制 78
4.6 TLB操作 79
4.6.1 使TLB内容无效 79
4.6.2 锁定TLB内容 79
4.6.3 解除TLB中被锁定的地址变换条目 80
4.7 存储访问失效 80
4.7.1 MMU失效（MMU Fault） 80
4.7.2 外部存储访问失效（External Abort） 81
第5章 ARM处理器的Cache和Write Buffer 82
本章主要介绍了ARM处理器高速缓存（Cache）和写缓存（Write Buffer）的工作原理，使读者了解如何提高处理器的性能。
5.1 Cache和Write Buffer一般性介绍 82
5.1.1 Cache工作原理 82
5.1.2 地址映像方式 83
5.1.3 Cache写入方式原理简介 84
5.1.4 关于Write-through和Write-back 85
5.1.5 Cache替换策略 86
5.1.6 使用Cache的必要性 87
5.1.7 使用Cache的可行性 87
5.2 ARM处理器中的Cache和Write Buffer 88
5.2.1 基本概念 88
5.2.2 Cache工作原理 88
5.2.3 Cache地址映射和变换方法 89
5.2.4 Cache分类 90
5.2.5 Cache替换算法 91
5.2.6 Cache内容锁定 91
5.2.7 MMU映射描述符中B位和C位的含义 92
5.2.8 Cache和Writer Buffer编程接口 93
5.3 ARM处理器的快速上下文切换技术 94
5.3.1 FCSE概述 94
5.3.2 FCSE原理 94
5.3.3 FCSE编程接口 95
第6章 ARM处理器存储访问一致性问题 97
本章介绍了在支持MMU、Cache和DMA的系统中可能出现的存储访问一致性问题，以及Linux中解决类似问题的方法。
6.1 存储访问一致性问题介绍 97
6.1.1 地址映射关系变化造成的数据不一致性 97
6.1.2 指令cache的数据不一致性问题 98
6.1.3 DMA造成的数据不一致问题 99
6.1.4 指令预取和自修改代码 99
6.2 Linux中解决存储访问一致性问题的方法 99
第7章 ARM处理器工作模式与异常中断处理 101
本章主要介绍了ARM处理器的工作模式和异常中断处理过程，这是ARM处理器系统启动程序编写者或Bootloader开发人员的必备知识。
7.1 ARM处理器工作模式 101
7.2 ARM处理器异常中断向量表和优先级 103
7.3 ARM处理器异常中断处理 104
7.3.1 进入异常中断处理 104
7.3.2 退出异常中断处理 105
7.4 ARM处理器的中断（IRQ或FIQ） 109
第8章 ARM处理器启动过程 110
本章根据笔者的开发经验介绍了ARM处理器系统的启动过程以及编写ARM处理器系统启动程序需要注意的事项。
8.1 ARM处理器上电/复位操作 110
8.2 ARM处理器系统初始化过程 111
8.3 ARM处理器系统初始化编程注意事项 111
第9章 嵌入式系统设计与调试 113
本章根据笔者10多年的开发经验介绍了嵌入式系统的设计流程和调试方法，列举了大量笔者工作中碰到的实际案例。本章内容对于嵌入式系统硬件开发和调试有较高的参考、指导价值。
9.1 嵌入式系统设计流程 113
9.2 嵌入式系统硬件原理设计与审核 114
9.3 硬件设计工具软件 117
9.4 嵌入式系统调试仿真工具 117
9.5 嵌入式系统调试诊断方法 118
第10章 自制简易JTAG下载烧写工具 123
本章根据笔者自己制作简易JTAG线缆的经验，介绍了简易JTAG线缆的硬件原理和软件流程，这是初学者必备的最廉价的工具，必须掌握。
10.1 JTAG简介 123
10.1.1 一些基本概念 124
10.1.2 JTAG接口信号 124
10.1.3 TAP控制器的状态机 125
10.1.4 JTAG接口指令集 129
10.2 简易JTAG线缆原理 130
10.2.1 PC并口定义 130
10.2.2 PC并口的寄存器 131
10.2.3 简易JTAG线缆原理图 133
10.2.4 简易JTAG线缆烧写连接图（见图10-5） 134
10.3 简易JTAG烧写代码分析 135
10.3.1 简易JTAG烧写程序（flashp）使用说明 135
10.3.2 flash与CPU连接及flash属性描述文件 136
10.3.3 简易JTAG烧写程序的执行逻辑和流程 138
第2部分 Linux内核开发初步
第11章 Bootloader 142
本章根据笔者的工作经验介绍了流行的几种Bootloader、Bootloader应该具备的基本功能以及Bootloader的裁剪与移植。
11.1 Bootloader的任务和作用 142
11.2 各种各样的Bootloader 143
11.3 Bootloader编译环境 144
11.4 Bootloader的移植与裁减 145
11.5 编译Bootloader 145
11.6 烧写Bootloader 146
11.7 Bootloader使用举例 148
11.8 Bootloader修改举例 149
第12章 创建嵌入式Linux开发环境 151
本章介绍了如何创建嵌入式系统Linux内核交叉开发环境，本章和后续3章的内容是嵌入式系统Linux内核开发的基础，必须掌握。
12.1 安装Linux host 151
12.2 在虚拟机中安装Linux host 152
12.3 安装Linux交叉编译环境 157
12.4 在主机上设置TFTP Server 160
12.5 在主机上设置DHCP Server 161
12.6 在主机上设置Telnet server 161
12.7 在开发过程中使用NFS 162
12.8 设置超级终端 163
第13章 编译Linux内核 166
本章介绍了Linux内核的配置和编译方法。
13.1 获取Linux内核源代码 166
13.2 Linux内核目录结构 166
13.3 配置Linux内核 167
13.4 编译Linux内核 168
第14章 创建Linux根文件系统 170
本章介绍了Linux的根文件系统的结构以及创建根文件系统的方法。
14.1 根文件系统概述 170
14.2 根文件系统目录结构 171
14.3 获取根文件系统组件源代码 171
14.4 编译根文件系统源代码 171
14.5 创建一个32MB的RAMDISK根文件系统 173
14.6 在根文件系统中添加驱动模块或者应用程序 173
第15章 固化Linux内核和根文件系统 174
本章介绍了固化（烧写）Linux内核和根文件系统的方法。
第16章 关于Clinux 176
本章简要介绍了Clinux与标准Linux的区别。
16.1 Clinux简介 176
16.2 Clinux源代码目录结构 177
16.3 Clinux与标准Linux的区别 178
16.4 编译Clinux 179
第3部分 Linux 2.6内核原理
第17章 Linux 2.6.10@ARM启动过程 182
本章以start_kernel()和init()函数中调用到的函数说明的方式，介绍了从Linux汇编代码入口到init内核进程最后调用用户空间init命令的Linux整个启动过程。本章内容是笔者第一次阅读Linux内核源代码时对这些函数的注释，仅供读者了解start_kernel()和init()函数中调用到的每个函数的大致功能时使用。
17.1 Linux 2.6.10中与ARM处理器平台硬件相关的结构和全局变量 182
17.1.1 相关数据结构 182
17.1.2 相关全局变量 187
17.2 Linux汇编代码入口 189
17.3 Linux汇编入口处CPU的状态 189
17.4 start_kernel()函数之前的汇编代码执行过程 190
17.5 start_kernel()函数中调用的函数介绍 192
17.5.1 lock_kernel()函数 192
17.5.2 page_address_init()函数 192
17.5.3 printk(linux_banner) 193
17.5.4 setup_arch(&command_line)函数 193
17.5.5 setup_per_cpu_areas()函数 198
17.5.6 smp_prepare_boot_cpu()函数 199
17.5.7 sched_init()函数 199
17.5.8 build_all_zonelists()函数 200
17.5.9 page_alloc_init()函数 200
17.5.10 printk(Kernel command line: %s , saved_command_line) 201
17.5.11 parse_early_param()函数 201
17.5.12 parse_args()函数 201
17.5.13 sort_main_extable()函数 202
17.5.14 trap_init()函数 202
17.5.15 rcu_init()函数 202
17.5.16 init_IRQ()函数 203
17.5.17 pidhash_init()函数 203
17.5.18 init_timers()函数 203
17.5.19 softirq_init()函数 204
17.5.20 time_init()函数 204
17.5.21 console_init()函数 205
17.5.22 profile_init()函数 206
17.5.23 local_irq_enable()函数 207
17.5.24 vfs_caches_init_early()函数 207
17.5.25 mem_init()函数 208
17.5.26 kmem_cache_init()函数 210
17.5.27 numa_policy_init()函数 225
17.5.28 calibrate_delay()函数 227
17.5.29 pidmap_init()函数 228
17.5.30 pgtable_cache_init()函数 229
17.5.31 prio_tree_init()函数 229
17.5.32 anon_vma_init()函数 229
17.5.33 fork_init(num_physpages)函数 229
17.5.34 proc_caches_init()函数 230
17.5.35 buffer_init()函数 231
17.5.36 unnamed_dev_init()函数 231
17.5.37 security_init()函数 231
17.5.38 vfs_caches_init(num_physpages)函数 232
17.5.39 radix_tree_init()函数 237
17.5.40 signals_init()函数 237
17.5.41 page_writeback_init()函数 237
17.5.42 proc_root_init()函数 238
17.5.43 check_bugs()函数 240
17.5.44 acpi_early_init()函数 244
17.5.45 rest_init()函数 244
17.6 init()进程执行过程 265
17.6.1 smp_prepare_cpus(max_cpus)函数 265
17.6.2 do_pre_smp_initcalls()函数 265
17.6.3 fixup_cpu_present_map()函数 267
17.6.4 smp_init()函数 267
17.6.5 sched_init_smp()函数 268
17.6.6 populate_rootfs()函数 268
17.6.7 do_basic_setup()函数 283
17.6.8 sys_access()函数 292
17.6.9 free_initmem()函数 301
17.6.10 unlock_kernel()函数 301
17.6.11 numa_default_policy()函数 302
17.6.12 sys_p()函数 302
17.6.13 execve()函数 302
第18章 Linux内存管理 305
从本章开始，笔者将带领读者走进神秘的Linux内核世界。笔者在阅读内核源代码以及两本相关参考书（见参考文献）的基础上，以自己的理解和语言总结概括了Linux内核每个组件的原理。笔者对与每个内核组件相关的关键数据结构和全局变量作了尽量详尽的说明，并且对核心函数进行了详细注释，在向读者灌输理论知识的同时引导读者自己去阅读、分析Linux内核源代码。本章讲解了Linux内核第一大核心组件“内存管理”的原理和实现内幕。
18.1 Linux内存管理概述 305
18.1.1 Linux内存管理的一些基本概念 305
18.1.2 内存管理相关数据结构 309
18.1.3 内存管理相关宏和全局变量 330
18.1.4 Linux内存管理的任务 341
18.1.5 Linux中的物理和虚拟存储空间布局 341
18.2 为虚拟（线性地址）存储空间建立页表 345
18.3 设置存储空间的访问控制属性 348
18.4 Linux中的内存分配和释放 350
18.4.1 在系统启动初期申请内存 350
18.4.2 系统启动之后的内存分配与释放 360
第19章 Linux进程管理 480
本章讲解了Linux内核第二大核心组件“进程管理”的原理和实现内幕。
19.1 进程管理概述 480
19.1.1 进程相关概念 480
19.1.2 进程分类 481
19.1.3 0号进程 481
19.1.4 1号进程 481
19.1.5 其他一些内核线程 482
19.1.6 进程描述符（struct task_struct） 482
19.1.7 进程状态 482
19.1.8 进程标识符（PID） 483
19.1.9 current宏定义 484
19.1.10 进程链表 484
19.1.11 PID hash表和链表 485
19.1.12 硬件上下文（Hardware Context） 485
19.1.13 进程资源限制 485
19.1.14 进程管理相关数据结构 486
19.1.15 进程管理相关宏定义 502
19.1.16 进程管理相关全局变量 514
19.2 进程管理相关初始化 520
19.3 进程创建与删除 529
19.4 进程调度 551
19.4.1 进程类型 553
19.4.2 进程调度类型 554
19.4.3 基本时间片计算方法 555
19.4.4 动态优先级算法 556
19.4.5 交互式进程 556
19.4.6 普通进程调度 557
19.4.7 实时进程调度 557
19.4.8 进程调度函数分析 558
19.5 进程切换 576
19.6 用户态进程间通信 581
19.6.1 信号（Signal） 581
19.6.2 管道（pipe）和FIFO（命名管道） 627
19.6.3 进程间通信原语（System V IPC） 641
第20章 Linux文件管理 651
本章讲解了Linux内核第三大核心组件“文件系统”的原理和实现内幕。
20.1 文件系统概述 651
20.1.1 Linux文件管理相关概念 652
20.1.2 Linux文件管理相关数据结构 657
20.1.3 Linux文件管理相关宏定义 682
20.1.4 Linux文件管理相关全局变量 691
20.2 文件管理相关初始化 699
20.3 文件系统类型注册 711
20.4 挂接文件系统 712
20.5 文件系统类型超级块读取 730
20.5.1 get_sb_single()通用超级块读取函数 731
20.5.2 get_sb_nodev()通用超级块读取函数 737
20.5.3 get_sb_bdev()通用超级块读取函数 738
20.5.4 get_sb_pseudo()通用超级块读取函数 740
20.6 路径名查找 747
20.7 访问文件操作 759
20.7.1 打开文件 759
20.7.2 关闭文件 766
20.7.3 读文件 768
20.7.4 写文件 785
20.8 异步I/O系统调用 792
20.9 Linux特殊文件系统 792
20.9.1 rootfs文件系统 793
20.9.2 sysfs文件系统 797
20.9.3 devfs设备文件系统 800
20.9.4 bdev块设备文件系统 803
20.9.5 ramfs文件系统 804
20.9.6 proc文件系统 804
20.10 磁盘文件系统 813
20.10.1 ext2文件系统相关数据结构 813
20.10.2 ext2文件系统磁盘分区格式 819
20.10.3 ext2文件系统的各种文件 820
20.10.4 创建ext2文件系统 821
20.10.5 ext2文件系统的操作方法 822
20.11 关于initramfs 824
20.11.1 initramfs概述 824
20.11.2 initramfs与initrd的区别 824
20.11.3 initramfs相关全局变量 825
20.11.4 initramfs被编译链接的位置 825
20.11.5 initramfs文件的生成过程 825
20.11.6 initramfs二进制文件格式说明（cpio格式） 828
20.11.7 initramfs二进制文件和列表文件对照示例 829
20.11.8 initramfs利弊 830
20.12 关于initrd 830
20.12.1 initrd概述 830
20.12.2 initrd相关全局变量 831
20.13 关于gzip压缩文件 832
第21章 Linux模块设计 834
本章讲解了Linux内核模块程序与应用程序的区别以及如何编写和加载Linux内核模块程序。
21.1 Linux模块设计概述 834
21.2 Linux的内核空间和用户空间 834
21.3 内核模块与应用程序的区别 835
21.4 编译模块 837
21.5 装载和卸载模块 837
21.6 模块层叠 838
21.7 模块版本依赖 839
21.8 模块编程示例 839
第22章 Linux系统异常中断管理 841
本章讲解了Linux内核如何管理系统异常中断以及Linux系统调用的实现内幕。
22.1 Linux异常中断处理 841
22.2 指令预取和数据访问中止异常中断处理 849
22.2.1 指令预取中止异常中断处理 850
22.2.2 数据访问中止异常中断处理 858
22.3 Linux中断处理 863
22.3.1 内核模式下的中断处理 863
22.3.2 用户模式下的中断处理 867
22.4 从中断返回 868
22.5 Linux中断管理 869
22.5.1 Linux中断管理相关数据结构与全局变量 870
22.5.2 Linux中断管理初始化 872
22.5.3 安装和卸载中断处理程序 874
22.5.4 使能和禁止中断 878
22.6 Linux系统调用 880
22.6.1 Linux系统调用内核实现过程 880
22.6.2 从系统调用返回 889
22.6.3 Linux系统调用用户程序接口函数 890
22.6.4 Linux系统调用用户接口函数与内核实现函数之间参数传递 899
第23章 Linux软中断和工作队列 901
本章讲解了Linux内核中的两种延迟处理机制“软中断”和“工作队列”的原理和实现。
23.1 概述 901
23.2 Linux软中断 902
23.2.1 软中断相关数据结构和全局变量 903
23.2.2 软中断初始化 904
23.2.3 软中断的核心操作函数do_softirq() 908
23.2.4 软中断看护进程执行函数ksoftirqd() 912
23.2.5 如何使用软中断 913
23.3 Linux工作队列 918
23.3.1 Linux工作队列相关数据结构和全局变量 918
23.3.2 Linux工作队列初始化 921
23.3.3 将工作加入到工作队列中 924
23.3.4 工作者进程执行函数worker_thread() 928
23.3.5 使用Linux工作队列 931
第24章 Linux并发与竞态 933
本章讲解了Linux内核同步机制，包括几种锁定技术以及免锁算法。
24.1 并发与竞态概述 933
24.1.1 Linux中的并发源 934
24.1.2 竞态可能导致的后果 934
24.1.3 避免竞态的规则 934
24.2 消除竞态的“锁定”技术 935
24.2.1 信号量（semphore）和互斥体（mutual exclusion） 935
24.2.2 读写信号量（rw_semaphore） 938
24.2.3 完成量（completion） 941
24.2.4 自旋锁（spinlock_t） 942
24.2.5 读写自旋锁（rwlock_t） 946
24.2.6 使用“锁定”技术的注意事项 949
24.3 消除竞态的非“锁定”方法 949
24.3.1 免锁算法 949
24.3.2 原子操作 950
24.3.3 位操作 951
24.3.4 顺序锁 952
24.3.5 读-复制-更新（Read-Copy-Update，RCU） 954
第25章 Linux设备驱动程序 958
本章讲解了Linux内核第四大核心组件“设备驱动”的原理和实现内幕。同时还总结归纳了编写各种设备驱动程序的方法和步骤。
25.1 设备驱动程序概述 958
25.1.1 设备驱动程序组成部分 959
25.1.2 设备号 959
25.1.3 设备文件 960
25.1.4 编写设备驱动程序的关键 961
25.2 字符设备驱动程序 961
25.2.1 字符设备相关数据结构 961
25.2.2 字符设备相关全局变量 963
25.2.3 字符设备驱动程序全局初始化 963
25.2.4 为字符设备分配设备号 964
25.2.5 注册字符设备驱动程序 968
25.2.6 字符设备的操作方法 971
25.2.7 用户对字符设备驱动程序的调用过程 972
25.2.8 如何编写字符设备驱动程序 974
25.2.9 关于TTY设备驱动程序 974
25.2.10 控制台设备驱动程序 975
25.3 块设备驱动程序 986
25.3.1 块设备相关数据结构 986
25.3.2 块设备相关宏定义 997
25.3.3 块设备相关全局变量 999
25.3.4 块设备驱动程序全局初始化 1004
25.3.5 为块设备分配主设备号 1006
25.3.6 注册块设备驱动程序 1009
25.3.7 块设备驱动程序的操作方法 1017
25.3.8 调用块设备驱动程序过程 1017
25.3.9 I/O调度 1031
25.3.10 如何编写块设备驱动程序 1032
25.4 网络设备驱动程序 1033
25.4.1 网络设备驱动程序概述 1033
25.4.2 网络设备相关数据结构 1034
25.4.3 网络设备相关宏定义 1044
25.4.4 网络设备相关全局变量 1045
25.4.5 创建net_device结构 1046
25.4.6 注册网络设备 1048
25.4.7 网络设备的操作方法 1050
25.4.8 网络设备中断服务程序 1051
25.4.9 如何编写网络设备驱动程序 1051
25.5 PCI设备驱动程序 1052
25.5.1 PCI接口定义 1053
25.5.2 PCI设备的三个地址空间 1057
25.5.3 PCI总线仲裁 1058
25.5.4 PCI设备编号 1059
25.5.5 如何访问PCI配置空间 1059
25.5.6 如何配置PCI设备 1061
25.5.7 PCI驱动程序相关数据结构 1062
25.5.8 PCI驱动程序相关宏定义 1068
25.5.9 PCI驱动程序相关全局变量 1068
25.5.10 Bootloader和内核做的事 1069
25.5.11 PCI驱动程序注册 1069
25.5.12 PCI驱动程序接口函数 1071
25.5.13 如何编写PCI驱动程序 1072
第4部分 Linux内核开发高级指南
第26章 Linux系统参数设置 1076
从本章开始的后续章节主要讲解了比较高级或者平时较少关注的Linux内核方面的知识，本章讲解了Linux中的4种系统参数格式和设置方法。
26.1 旗语系统参数（tag） 1076
26.1.1 与旗语系统参数相关数据结构和全局变量 1076
26.1.2 旗语系统参数说明 1082
26.1.3 旗语系统参数设置方法 1084
26.2 前期命令行设置的系统参数 1084
26.2.1 与前期命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1084
26.2.2 前期命令行设置的系统参数说明 1085
26.2.3 前期命令行系统参数设置方法 1086
26.2.4 如何添加自己的前期命令行设置的系统参数 1087
26.3 老式命令行系统参数 1087
26.3.1 与老式命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1087
26.3.2 老式命令行设置的系统参数说明 1088
26.3.3 老式命令行设置的系统参数设置方法 1089
26.3.4 如何添加自己的老式命令行设置的系统参数 1089
26.4 命令行系统参数 1089
26.4.1 与命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1089
26.4.2 命令行设置的系统参数说明 1090
26.4.3 命令行设置的系统参数设置方法 1090
第27章 Linux内核调试 1091
本章介绍了Linux内核的调试方法。
27.1 打开Linux内核及其各模块自带的调试开关 1091
27.2 内核剖析（Profiling） 1093
27.3 通过打印调试（printk） 1095
27.3.1 关于printk() 1095
27.3.2 内核信息级别 1096
27.3.3 打印速度限制 1097
27.3.4 控制台重定向 1098
27.4 使用proc文件系统调试 1098
27.5 oops消息 1098
27.6 通过跟踪命令strace调试 1099
27.7 使用gdb、kdb、kgdb调试 1099
第28章 Linux内核移植 1101
本章介绍了Linux内核的移植方法。
第29章 Linux内核优化 1104
本章介绍了Linux内核的优化方法。
29.1 编译优化 1104
29.2 根据CPU特性进行优化 1105
29.3 对内核进行裁减 1105
29.4 优化系统内存配置 1106
29.5 优化系统启动过程以缩减系统启动时间 1106
29.6 内存映射优化 1107
29.7 工具软件辅助优化 1107
第30章 Linux定时器 1109
本章介绍了Linux内核的软件定时器。
30.1 定时器相关数据结构 1109
30.2 定时器相关宏定义 1111
30.3 定时器相关全局变量 1112
30.4 定时器和时钟初始化 1113
30.5 获取系统时间 1114
30.6 延迟函数 1115
30.7 与定时器相关系统调用 1115
30.8 使用定时器方法 1116
第31章 杂项 1117
本章介绍了PER_CPU变量以及Linux中的数据类型定义。
31.1 per_cpu变量 1117
31.2 Linux中的数据类型定义 1118
第32章 编译链接文件说明 1119
本章注释了ARM处理器系统中Linux内核的链接文件，以帮助读者了解编译出来的Linux内核各区段在内存中的存放位置。
参考文献 1125

⑵ 面试必问的epoll技术，从内核源码出发彻底搞懂epoll

epoll是linux中IO多路复用的一种机制，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。当然linux中IO多路复用不仅仅是epoll，其他多路复用机制还有select、poll，但是接下来介绍epoll的内核实现。

events可以是以下几个宏的集合：

epoll相比select/poll的优势 ：

epoll相关的内核代码在fs/eventpoll.c文件中，下面分别分析epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait三个函数在内核中的实现，分析所用linux内核源码为4.1.2版本。

epoll_create用于创建一个epoll的句柄，其在内核的系统实现如下：

sys_epoll_create:

可见，我们在调用epoll_create时，传入的size参数，仅仅是用来判断是否小于等于0，之后再也没有其他用处。
整个函数就3行代码，真正的工作还是放在sys_epoll_create1函数中。

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1:

sys_epoll_create1 函数流程如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc:

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc -> get_unused_fd_flags:

linux内核中，current是个宏，返回的是一个task_struct结构（我们称之为进程描述符）的变量，表示的是当前进程，进程打开的文件资源保存在进程描述符的files成员里面，所以current->files返回的当前进程打开的文件资源。rlimit(RLIMIT_NOFILE) 函数获取的是当前进程可以打开的最大文件描述符数，这个值可以设置，默认是1024。

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__alloc_fd的工作是为进程在[start,end)之间(备注：这里start为0， end为进程可以打开的最大文件描述符数)分配一个可用的文件描述符,这里就不继续深入下去了，代码如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc -> get_unused_fd_flags -> __alloc_fd:

然后，epoll_create1会调用anon_inode_getfile，创建一个file结构，如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> anon_inode_getfile:

anon_inode_getfile函数中首先会alloc一个file结构和一个dentry结构，然后将该file结构与一个匿名inode节点anon_inode_inode挂钩在一起，这里要注意的是，在调用anon_inode_getfile函数申请file结构时，传入了前面申请的eventpoll结构的ep变量，申请的file->private_data会指向这个ep变量，同时，在anon_inode_getfile函数返回来后，ep->file会指向该函数申请的file结构变量。

简要说一下file/dentry/inode，当进程打开一个文件时，内核就会为该进程分配一个file结构，表示打开的文件在进程的上下文，然后应用程序会通过一个int类型的文件描述符来访问这个结构，实际上内核的进程里面维护一个file结构的数组，而文件描述符就是相应的file结构在数组中的下标。

dentry结构（称之为“目录项”）记录着文件的各种属性，比如文件名、访问权限等，每个文件都只有一个dentry结构，然后一个进程可以多次打开一个文件，多个进程也可以打开同一个文件，这些情况，内核都会申请多个file结构，建立多个文件上下文。但是，对同一个文件来说，无论打开多少次，内核只会为该文件分配一个dentry。所以，file结构与dentry结构的关系是多对一的。

同时，每个文件除了有一个dentry目录项结构外，还有一个索引节点inode结构，里面记录文件在存储介质上的位置和分布等信息，每个文件在内核中只分配一个inode。 dentry与inode描述的目标是不同的，一个文件可能会有好几个文件名（比如链接文件），通过不同文件名访问同一个文件的权限也可能不同。dentry文件所代表的是逻辑意义上的文件，记录的是其逻辑上的属性，而inode结构所代表的是其物理意义上的文件，记录的是其物理上的属性。dentry与inode结构的关系是多对一的关系。

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> fd_install:

总结epoll_create函数所做的事：调用epoll_create后，在内核中分配一个eventpoll结构和代表epoll文件的file结构，并且将这两个结构关联在一块，同时，返回一个也与file结构相关联的epoll文件描述符fd。当应用程序操作epoll时，需要传入一个epoll文件描述符fd，内核根据这个fd，找到epoll的file结构，然后通过file，获取之前epoll_create申请eventpoll结构变量，epoll相关的重要信息都存储在这个结构里面。接下来，所有epoll接口函数的操作，都是在eventpoll结构变量上进行的。

所以，epoll_create的作用就是为进程在内核中建立一个从epoll文件描述符到eventpoll结构变量的通道。

epoll_ctl接口的作用是添加/修改/删除文件的监听事件，内核代码如下：

sys_epoll_ctl:

根据前面对epoll_ctl接口的介绍，op是对epoll操作的动作（添加/修改/删除事件），ep_op_has_event(op)判断是否不是删除操作，如果op != EPOLL_CTL_DEL为true，则需要调用_from_user函数将用户空间传过来的event事件拷贝到内核的epds变量中。因为，只有删除操作，内核不需要使用进程传入的event事件。

接着连续调用两次fdget分别获取epoll文件和被监听文件（以下称为目标文件）的file结构变量（备注：该函数返回fd结构变量，fd结构包含file结构）。

接下来就是对参数的一些检查，出现如下情况，就可以认为传入的参数有问题，直接返回出错：

当然下面还有一些关于操作动作如果是添加操作的判断，这里不做解释，比较简单，自行阅读。

在ep里面，维护着一个红黑树，每次添加注册事件时，都会申请一个epitem结构的变量表示事件的监听项，然后插入ep的红黑树里面。在epoll_ctl里面，会调用ep_find函数从ep的红黑树里面查找目标文件表示的监听项，返回的监听项可能为空。

接下来switch这块区域的代码就是整个epoll_ctl函数的核心，对op进行switch出来的有添加(EPOLL_CTL_ADD)、删除(EPOLL_CTL_DEL)和修改(EPOLL_CTL_MOD)三种情况，这里我以添加为例讲解，其他两种情况类似，知道了如何添加监听事件，其他删除和修改监听事件都可以举一反三。

为目标文件添加监控事件时，首先要保证当前ep里面还没有对该目标文件进行监听，如果存在(epi不为空)，就返回-EEXIST错误。否则说明参数正常，然后先默认设置对目标文件的POLLERR和POLLHUP监听事件，然后调用ep_insert函数，将对目标文件的监听事件插入到ep维护的红黑树里面：

sys_epoll_ctl -> ep_insert:

前面说过，对目标文件的监听是由一个epitem结构的监听项变量维护的，所以在ep_insert函数里面，首先调用kmem_cache_alloc函数，从slab分配器里面分配一个epitem结构监听项，然后对该结构进行初始化，这里也没有什么好说的。我们接下来看ep_item_poll这个函数调用：

sys_epoll_ctl -> ep_insert -> ep_item_poll:

ep_item_poll函数里面，调用目标文件的poll函数，这个函数针对不同的目标文件而指向不同的函数，如果目标文件为套接字的话，这个poll就指向sock_poll，而如果目标文件为tcp套接字来说，这个poll就是tcp_poll函数。虽然poll指向的函数可能会不同，但是其作用都是一样的，就是获取目标文件当前产生的事件位，并且将监听项绑定到目标文件的poll钩子里面（最重要的是注册ep_ptable_queue_proc这个poll callback回调函数），这步操作完成后，以后目标文件产生事件就会调用ep_ptable_queue_proc回调函数。

接下来，调用list_add_tail_rcu将当前监听项添加到目标文件的f_ep_links链表里面，该链表是目标文件的epoll钩子链表，所有对该目标文件进行监听的监听项都会加入到该链表里面。

然后就是调用ep_rbtree_insert，将epi监听项添加到ep维护的红黑树里面,这里不做解释，代码如下：

sys_epoll_ctl -> ep_insert -> ep_rbtree_insert:

前面提到，ep_insert有调用ep_item_poll去获取目标文件产生的事件位，在调用epoll_ctl前这段时间，可能会产生相关进程需要监听的事件，如果有监听的事件产生，(revents & event->events 为 true)，并且目标文件相关的监听项没有链接到ep的准备链表rdlist里面的话，就将该监听项添加到ep的rdlist准备链表里面，rdlist链接的是该epoll描述符监听的所有已经就绪的目标文件的监听项。并且，如果有任务在等待产生事件时，就调用wake_up_locked函数唤醒所有正在等待的任务，处理相应的事件。当进程调用epoll_wait时，该进程就出现在ep的wq等待队列里面。接下来讲解epoll_wait函数。

总结epoll_ctl函数：该函数根据监听的事件，为目标文件申请一个监听项，并将该监听项挂人到eventpoll结构的红黑树里面。

epoll_wait等待事件的产生，内核代码如下：

sys_epoll_wait:

首先是对进程传进来的一些参数的检查：

参数全部检查合格后，接下来就调用ep_poll函数进行真正的处理：

sys_epoll_wait -> ep_poll:

ep_poll中首先是对等待时间的处理，timeout超时时间以ms为单位，timeout大于0，说明等待timeout时间后超时，如果timeout等于0，函数不阻塞，直接返回，小于0的情况，是永久阻塞，直到有事件产生才返回。

当没有事件产生时（(!ep_events_available(ep))为true）,调用__add_wait_queue_exclusive函数将当前进程加入到ep->wq等待队列里面，然后在一个无限for循环里面，首先调用set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)，将当前进程设置为可中断的睡眠状态，然后当前进程就让出cpu，进入睡眠，直到有其他进程调用wake_up或者有中断信号进来唤醒本进程，它才会去执行接下来的代码。

如果进程被唤醒后，首先检查是否有事件产生，或者是否出现超时还是被其他信号唤醒的。如果出现这些情况，就跳出循环，将当前进程从ep->wp的等待队列里面移除，并且将当前进程设置为TASK_RUNNING就绪状态。

如果真的有事件产生，就调用ep_send_events函数，将events事件转移到用户空间里面。

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events:

ep_send_events没有什么工作，真正的工作是在ep_scan_ready_list函数里面：

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events -> ep_scan_ready_list:

ep_scan_ready_list首先将ep就绪链表里面的数据链接到一个全局的txlist里面，然后清空ep的就绪链表，同时还将ep的ovflist链表设置为NULL，ovflist是用单链表，是一个接受就绪事件的备份链表，当内核进程将事件从内核拷贝到用户空间时，这段时间目标文件可能会产生新的事件，这个时候，就需要将新的时间链入到ovlist里面。

仅接着，调用sproc回调函数(这里将调用ep_send_events_proc函数)将事件数据从内核拷贝到用户空间。

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events -> ep_scan_ready_list -> ep_send_events_proc:

ep_send_events_proc回调函数循环获取监听项的事件数据，对每个监听项，调用ep_item_poll获取监听到的目标文件的事件，如果获取到事件，就调用__put_user函数将数据拷贝到用户空间。

回到ep_scan_ready_list函数，上面说到，在sproc回调函数执行期间，目标文件可能会产生新的事件链入ovlist链表里面，所以，在回调结束后，需要重新将ovlist链表里面的事件添加到rdllist就绪事件链表里面。

同时在最后，如果rdlist不为空（表示是否有就绪事件），并且由进程等待该事件，就调用wake_up_locked再一次唤醒内核进程处理事件的到达（流程跟前面一样，也就是将事件拷贝到用户空间）。

到这，epoll_wait的流程是结束了，但是有一个问题，就是前面提到的进程调用epoll_wait后会睡眠，但是这个进程什么时候被唤醒呢？在调用epoll_ctl为目标文件注册监听项时，对目标文件的监听项注册一个ep_ptable_queue_proc回调函数，ep_ptable_queue_proc回调函数将进程添加到目标文件的wakeup链表里面，并且注册ep_poll_callbak回调，当目标文件产生事件时，ep_poll_callbak回调就去唤醒等待队列里面的进程。

总结一下epoll该函数： epoll_wait函数会使调用它的进程进入睡眠（timeout为0时除外），如果有监听的事件产生，该进程就被唤醒，同时将事件从内核里面拷贝到用户空间返回给该进程。

⑶ Android socket源码解析(三)socket的connect源码解析

上一篇文章着重的聊了socket服务端的bind，listen，accpet的逻辑。本文来着重聊聊connect都做了什么？

如果遇到什么问题，可以来本文 https://www.jianshu.com/p/da6089fdcfe1 下讨论

当服务端一切都准备好了。客户端就会尝试的通过 connect 系统调用，尝试的和服务端建立远程连接。

首先校验当前socket中是否有正确的目标地址。然后获取IP地址和端口调用 connectToAddress 。

在这个方法中，能看到有一个 NetHooks 跟踪socket的调用，也能看到 BlockGuard 跟踪了socket的connect调用。因此可以hook这两个地方跟踪socket，不过很少用就是了。

核心方法是 socketConnect 方法，这个方法就是调用 IoBridge.connect 方法。同理也会调用到jni中。

能看到也是调用了 connect 系统调用。

文件：/ net / ipv4 / af_inet.c

在这个方法中做的事情如下：

注意 sk_prot 所指向的方法是， tcp_prot 中 connect 所指向的方法，也就是指 tcp_v4_connect .

文件：/ net / ipv4 / tcp_ipv4.c

本质上核心任务有三件:

想要能够理解下文内容，先要明白什么是路由表。

路由表分为两大类：

每个路由器都有一个路由表(RIB)和转发表 (fib表)，路由表用于决策路由，转发表决策转发分组。下文会接触到这两种表。

这两个表有什么区别呢？

网上虽然给了如下的定义：

但实际上在Linux 3.8.1中并没有明确的区分。整个路由相关的逻辑都是使用了fib转发表承担的。

先来看看几个和FIB转发表相关的核心结构体：

熟悉Linux命令朋友一定就能认出这里面大部分的字段都可以通过route命令查找到。

命令执行结果如下：

在这route命令结果的字段实际上都对应上了结构体中的字段含义：

知道路由表的的内容后。再来FIB转发表的内容。实际上从下面的源码其实可以得知，路由表的获取，实际上是先从fib转发表的路由字典树获取到后在同感加工获得路由表对象。

转发表的内容就更加简单

还记得在之前总结的ip地址的结构吗？

需要进行一次tcp的通信，意味着需要把ip报文准备好。因此需要决定源ip地址和目标IP地址。目标ip地址在之前通过netd查询到了，此时需要得到本地发送的源ip地址。

然而在实际情况下，往往是面对如下这么情况：公网一个对外的ip地址，而内网会被映射成多个不同内网的ip地址。而这个过程就是通过DDNS动态的在内存中进行更新。

因此 ip_route_connect 实际上就是选择一个缓存好的，通过DDNS设置好的内网ip地址并找到作为结果返回，将会在之后发送包的时候填入这些存在结果信息。而查询内网ip地址的过程，可以成为RTNetLink。

在Linux中有一个常用的命令 ifconfig 也可以实现类似增加一个内网ip地址的功能：

比如说为网卡eth0增加一个IPV6的地址。而这个过程实际上就是调用了devinet内核模块设定好的添加新ip地址方式，并在回调中把该ip地址刷新到内存中。

注意 devinet 和 RTNetLink 严格来说不是一个存在同一个模块。虽然都是使用 rtnl_register 注册方法到rtnl模块中：

文件：/ net / ipv4 / devinet.c

文件：/ net / ipv4 / route.c

实际上整个route模块，是跟着ipv4 内核模块一起初始化好的。能看到其中就根据不同的rtnl操作符号注册了对应不同的方法。

整个DDNS的工作流程大体如下：

当然，在tcp三次握手执行之前，需要得到当前的源地址，那么就需要通过rtnl进行查询内存中分配的ip。

文件：/ include / net / route.h

这个方法核心就是 __ip_route_output_key .当目的地址或者源地址有其一为空，则会调用 __ip_route_output_key 填充ip地址。目的地址为空说明可能是在回环链路中通信，如果源地址为空，那个说明可能往目的地址通信需要填充本地被DDNS分配好的内网地址。

在这个方法中核心还是调用了 flowi4_init_output 进行flowi4结构体的初始化。

文件：/ include / net / flow.h

能看到这个过程把数据中的源地址，目的地址，源地址端口和目的地址端口，协议类型等数据给记录下来，之后内网ip地址的查询与更新就会频繁的和这个结构体进行交互。

能看到实际上 flowi4 是一个用于承载数据的临时结构体，包含了本次路由操作需要的数据。

执行的事务如下：

想要弄清楚ip路由表的核心逻辑，必须明白路由表的几个核心的数据结构。当然网上搜索到的和本文很可能大为不同。本文是基于LInux 内核3.1.8.之后的设计几乎都沿用这一套。

而内核将路由表进行大规模的重新设计，很大一部分的原因是网络环境日益庞大且复杂。需要全新的方式进行优化管理系统中的路由表。

下面是fib_table 路由表所涉及的数据结构：

依次从最外层的结构体介绍：

能看到路由表的存储实际上通过字典树的数据结构压缩实现的。但是和常见的字典树有点区别，这种特殊的字典树称为LC-trie 快速路由查找算法。

这一篇文章对于快速路由查找算法的理解写的很不错: https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6596046

首先理解字典树：字典树简单的来说，就是把一串数据化为二进制格式，根据左0，右1的方式构成的。

如图下所示：

这个过程用图来展示，就是沿着字典树路径不断向下读，比如依次读取abd节点就能得到00这个数字。依次读取abeh就能得到010这个数字。

说到底这种方式只是存储数据的一种方式。而使用数的好处就能很轻易的找到公共前缀，在字典树中找到公共最大子树，也就找到了公共前缀。

而LC-trie 则是在这之上做了压缩优化处理，想要理解这个算法，必须要明白在 tnode 中存在两个十分核心的数据：

这负责什么事情呢？下面就简单说说整个lc-trie的算法就能明白了。

当然先来看看方法 __ip_dev_find 是如何查找

文件：/ net / ipv4 / fib_trie.c

整个方法就是通过 tkey_extract_bits 生成tnode中对应的叶子节点所在index，从而通过 tnode_get_child_rcu 拿到tnode节点中index所对应的数组中获取叶下一级别的tnode或者叶子结点。

其中查找index最为核心方法如上，这个过程，先通过key左移动pos个位，再向右边移动（32 - bits）算法找到对应index。

在这里能对路由压缩算法有一定的理解即可，本文重点不在这里。当从路由树中找到了结果就返回 fib_result 结构体。

查询的结果最为核心的就是 fib_table 路由表，存储了真正的路由转发信息

文件：/ net / ipv4 / route.c

这个方法做的事情很简单，本质上就是想要找到这个路由的下一跳是哪里？

在这里面有一个核心的结构体名为 fib_nh_exception 。这个是指fib表中去往目的地址情况下最理想的下一跳的地址。

而这个结构体在上一个方法通过 find_exception 获得.遍历从 fib_result 获取到 fib_nh 结构体中的 nh_exceptions 链表。从这链表中找到一模一样的目的地址并返回得到的。

文件：/ net / ipv4 / tcp_output.c