《Linux内核设计的艺术：图解Linux操作系统架构设计与实现原理》

2024-06-14 09:30| 来源: 网络整理| 查看: 265

前言

为什么写这本书很早就有一个想法，做中国人自己的、有所突破、有所创新的操作系统、计算机语言及编译平台。我带领的“新设计团队”（主要由中国科学院研究生院毕业的学生组成）在实际开发自己的操作系统的过程中，最先遇到的问题就是如何培养学生真正看懂Linux操作系统的源代码的能力。开源的Linux操作系统的源代码很容易找到，但很快就会发现，培养学生看懂Linux操作系统的源代码是一件非常困难的事。操作系统的代码量通常都是非常庞大的，动辄几百万行，即使浏览一遍也要很长时间。比庞大的代码量更让学习者绝望的是操作系统有着极其错综复杂的关系。看上去，代码的执行序时隐时现，很难抓住脉络。代码之间相互牵扯，相互勾连，几乎无法理出头绪，更谈不上理解代码背后的原理、意图和思想。对于学生而言，选择从源代码的什么地方开始分析，本身就是一个难题。通常，学生有两种选择：一种是从main函数，也就是从C语言代码的总入口开始，沿着源代码的调用路线一行一行地看下去，学生很快就会发现源代码的调用路线莫名其妙地断了，但直觉和常识告诉他操作系统肯定不会在这个地方停止，一定还在继续运行，却不知道后续的代码在哪里，这种方法很快就走进了死胡同；另一种则是从某一模块入手，如文件系统，但这样会无形中切断操作系统源码之间复杂的关系，如文件系统与进程管理的关系，文件系统与内存管理的关系，等等。学生如果孤立地去理解一个模块，往往只能记住一些名词和简单概念，难以真正理解操作系统的全貌。用学生的话讲，他们理解的操作系统变成了“文科”的操作系统。由于操作系统是底层系统程序，对应用程序行之有效的调试和跟踪等手段对操作系统的源代码而言，几乎无效。学生就算把每一行源代码都看懂了，对源代码已经烂熟于心，知道这一行是一个for循环，那一行是一个调用……但仍然不知道整个代码究竟在做什么以及起到什么作用，更不知道设计者的意图究竟是什么。学生在操作系统课程上学习过进程管理、内存管理、文件系统等基础知识，但是对这些空洞的理论在一个实际的操作系统中是如何实现的却不得而知。他们在源代码中很难看出进程和内存之间有什么关联，内核程序和用户程序有什么区别，为什么要有这些区别；也很难从源代码中看清楚，我们实际经常用到的操作，比如打开文件，操作系统在其中都做了哪些具体的工作。想在与常见的应用程序的编程方法有巨大差异的、晦涩难懂的、浩瀚如海的操作系统底层源代码中找到这些问题的答案，似乎比登天还难。对熟悉操作系统源代码的学生而言，他们也知道像分页机制这样的知识点，知道若干级的分页及恒等映射，但是未必能够真正理解隐藏在机制背后的深刻意义。这些都是学生在学习Linux操作系统源代码时遇到的实际问题。中国科学院研究生院的学生应该是年轻人中的佼佼者，他们遇到的问题可能其他读者也会遇到。我萌发了一个想法，虽然学生的问题早已解决，但是否可以把他们曾经在学习、研发操作系统的过程中遇到的问题和心得体会拿出来供广大读者分享。当时，针对学生的实际问题，我的解决方法是以一个真实的操作系统为例，让学生理解源代码并把操作系统在内存中的运行时状态画出图来。实践证明，这个方法简单有效。现在我们把这个解决方案体现在这本书中。这就是以一个真实的操作系统的实际运行为主线；以图形、图像为核心，突出描述操作系统在实际运行过程中内存的运行时结构；强调学生站在操作系统设计者的视角，用体系的思想方法，整体把握操作系统的行为、作用、目的和意义。目录

第1章从开机加电到执行main函数之前的过程1.1　启动BIOS，准备实模式下的中断向量表和中断服务程序1.2　加载操作系统内核程序并为保护模式做准备1.3　开始向32位模式转变，为main函数的调用做准备1.4　本章小结第2章设备环境初始化及激活进程02.1　设置根设备、硬盘2.2　规划物理内存格局，设置缓冲区、虚拟盘、主内存2.3　设置虚拟盘空间并初始化2.4　内存管理结构mem_map初始化2.5　异常处理类中断服务程序挂接2.6　初始化块设备请求项结构2.7　与建立人机交互界面相关的外设的中断服务程序挂接2.8　开机启动时间设置2.9　初始化进程02.10　初始化缓冲区管理结构2.11　初始化硬盘2.12　初始化软盘2.13　开启中断2.14　进程0由0特权级翻转到3特权级，成为真正的进程2.15　本章小结第3章进程1的创建及执行 3.1　进程1的创建3.2　内核第一次做进程调度3.3　轮转到进程1执行3.4　本章小结

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