返璞归真：UNIX技术内幕

　　操作系统是一种对计算机中各个设备和资源进行管理并给应用软件提供各种服务的系统软件，它的实现可分用户态和内核态两大部分。一般而言，操作系统的算法和设计的复杂性大多在内核态部分。因此，了解操作系统的内核实现对于了解整个操作系统是非常重要的。本书详细阐述操作系统的内核（也包括少量用户态部分），选择UNIX第6版的全部内核代码及少量用户部分代码、总计10 000行作为讲解对象，由框架到细节、由基础到高级地进行讲述；在此过程中贯穿了操作系统中的各种知识和概念，比如内存管理、进程调度、中断和设备管理以及文件系统等，使得内容非常易于读者理解。选择UNIX作为讲解对象是因为它强大的生命力和应用的广泛性。在精妙的设计思想下，它具有小巧高效而健壮的内核、丰富的功能、易扩展的架构和良好的开放性。UNIX所定义的很多接口（比如文件访问接口）已经成为行业标准。本书在讲解时，作者把这10 000行代码按照不同的功能模块分成不同的章节。每章一般最小以函数为单位，但在讲解某个功能或接口时，又会牵涉到很多相关的函数，并其中揭示了很多优秀的设计思想、数据结构和算法。本书适用于具有丰富开发经验的高级软件工程师，尤其是有志于进行操作系统研究或对操作系统实现感兴趣的软件工程师，也可作为本专科院校计算机及相关专业学生学习操作系统和C语言的参考书。初级软件开发人员在阅读本书时可能会碰到一些困难，但如能坚持研究，它也会是你提高编程水平的一个很好的选择。

　　郝庆丰，毕业于清华大学电机系，曾在朗讯、爱立信等知名外企从事多年的软件开发工作，有着多个UNIX和Linux平台下大型服务器、网关项目的开发经验，并且参与过其中大部分项目的架构设计。结合所开发项目，作者深入研究了UNIX操作系统内核，并付诸于产品性能优化之类的实际应用，现在IBMCDL部门担任高级软件开发工程师。

第1章　概论 1
1.1　历史背景 1
1.2　UNIX诞生的经过 1
1.3　UNIX版本6 2
1.4　各流派一览 2
1.5　为什么取得成功 3
1.5.1　简洁高效 3
1.5.2　健壮性 3
1.5.3　功能丰富 3
1.5.4　移植性 3
1.5.5　开放性 4
1.6　缩写及术语说明 4　
第2章　UNIX综述 6
2.1　硬件平台 6
2.1.1　中断和自陷（Trap） 7
2.1.2　两种处理器模式 9
2.1.3　通用寄存器 10
2.1.4　I/O设备管理 10
2.1.5　栈（Stack） 11
2.1.6　常用指令 11
2.1.7　备注 19
2.2　UNIX内核综述 20
2.2.1　模块分类 20
2.2.2　各模块间的通信 20
2.2.3　源文件 21
2.2.4　语法规则和编码风格说明 23
2.3　思考题 27　
第3章　虚拟内存 28
3.1　简介 28
3.2　虚拟内存的优点 29
3.2.1　安全性 29
3.2.2　提高空间利用率 30
3.2.3　多进程的支持 30
3.3　PDP11/40的虚拟内存机制 30
3.3.1　页地址寄存器（PAR） 32
3.3.2　页描述寄存器（PDR） 32
3.3.3　活动页寄存器地址 33
3.3.4　虚拟地址向物理地址的映射过程 33
3.3.5　异常处理 35
3.3.6　和现代页式虚存的比较 36
3.4　UNIX的虚存实现 36
3.4.1　进程空间分布 36
3.4.2　用户活动页寄存器设置函数estabur 37
3.4.3　用户空间映射函数sureg 41
3.5　内存管理 42
3.5.1　内核内存管理 42
3.5.2　用户内存管理 47
3.6　思考题 56　
第4章　启动模块 57
4.1　操作流程 57
4.2　中断向量 58
4.3　启动函数start 60
4.4　备注 65
4.4.1　为什么需要引导程序和装入程序 65
4.4.2　0地址处指令分析 65
4.4.3　为什么要使用汇编语言 66
4.4.4　Windows启动过程浅析 66
4.5　思考题 67　
第5章　进程管理和调度 68
5.1　程序员眼中的虚拟机 68
5.2　系统资源 68
5.3　进程上下文 70
5.4　进程调度 72
5.5　UNIX实现 73
5.5.1　进程上下文 73
5.5.2　进程的两种状态 80
5.5.3　调度过程 82
5.5.4　备注 128
5.6　思考题 134　
第6章　中断处理过程 136
6.1　PSW寄存器 136
6.2　中断处理流程 136
6.3　中断向量 138
6.4　PDP 11/40的中断类型 139
6.4.1　电传终端接口输入中断 139
6.4.2　电传终端接口输出中断 140
6.4.3　纸带打孔机输入中断 140
6.4.4　纸带打孔机输出中断 140
6.4.5　时钟中断 140
6.4.6　行打印机中断 140
6.4.7　磁盘读写中断 140
6.5　一些常用函数 140
6.5.1　特殊指令 140
6.5.2　fubyte(fuibyte) 141
6.5.3　fuword(fuiword) 143
6.5.4　subyte(suibyte) 143
6.5.5　suword(suiword) 144
6.5.6　clearseg 144
6.5.7　copyseg 145
6.5.8　copyin/copyout 146
6.5.9　dpadd 148
6.5.10　ldiv/lrem/lshift 148
6.6　call函数 149
6.7　时钟中断 151
6.7.1　基本概念 151
6.7.2　处理过程 152
6.8　call函数调用分派切换器的理由 163
6.9　内核定时器 164
6.9.1　数据结构 164
6.9.2　定时器的创建 165
6.9.3　定时器的触发 167
6.10　一些例子 168
6.10.1　进程优先级的调整 168
6.10.2　进程分派切换实例 174
6.11　备注 178
6.11.1　中断服务函数中为什么不使用互斥锁 178
6.11.2　中断服务函数中为什么不访问u变量 178
6.11.3　关于内存管理违例自陷的处理过程 179
6.11.4　调度标志runrun和runin 179
6.12　思考题 179　　
第7章　自陷 180
7.1　自陷原理 180
7.2　自陷向量 180
7.3　PDP11/40的自陷类型 180
7.3.1　系统出错自陷 180
7.3.2　系统调用自陷 182
7.3.3　调试自陷 182
7.3.4　自陷优先级 183
7.4　自陷处理过程 184
7.4.1　汇编函数_trap 184
7.4.2　C函数trap 186
7.4.3　backup函数 191　
第8章　文件系统 211
8.1　概述 211
8.2　框架 212
8.2.1　文件存储的实现 212
8.2.2　UNIX文件系统 219
8.2.3　UNIX文件系统的详细实现 224
8.3　文件访问接口 228
8.3.1　文件创建接口creat 230
8.3.2　文件打开接口open 235
8.3.3　文件关闭接口close 235
8.3.4　文件读接口read 237
8.3.5　文件写接口write 237
8.3.6　文件定位接口seek 239
8.3.7　特殊文件创建接口mknod 242
8.3.8　文件链接接口link 243
8.3.9　取消文件链接接口unlink 246
8.3.10　设备加载接口smount 247
8.3.11　设备卸载接口sumount 251
8.4　节点和块管理 252
8.4.1　节点缓存 253
8.4.2　块缓存 255
8.4.3　块访问接口 262
8.4.4　节点访问接口 294
8.5　块设备驱动 322
8.5.1　概述 322
8.5.2　根设备--rk11磁盘 325
8.6　备注 335
8.6.1　FAT16文件系统 335
8.6.2　多进程访问文件的问题 338
8.6.3　进程间同步 338
8.6.4　文件的删除 340
8.6.5　设备驱动的扩展 340
8.7　总结 340
8.8　思考题 341　
第9章　字符设备驱动 342
9.1　交互终端--电传打字机（teletypewriter） 342
9.1.1　设备特性 343
9.1.2　操作寄存器 343
9.1.3　驱动框架 345
9.1.4　驱动函数 351
9.1.5　shell应用举例 378
9.1.6　内核打印接口 379
9.2　PC-11纸带打孔机 383
9.2.1　设备特性 383
9.2.2　操作寄存器 384
9.2.3　驱动框架 385
9.2.4　驱动函数 387
9.2.5　读取器状态转换图 392
9.3　LP-11行打印机 393
9.3.1　设备特性 393
9.3.2　操作寄存器 393
9.3.3　驱动框架 394
9.3.4　驱动函数 396
9.4　现代打印机 401
9.4.1　并口 401
9.4.2　和内核挂接 403
9.4.3　简单的打印程序 406
9.4.4　CUPS 408
9.5　其他字符设备 408
9.5.1　内存 409
9.5.2　磁盘 411
9.6　网络驱动程序 415
9.7　综合示例 416
9.8　总结 417
9.9　思考题 418　
第10章　进程交换过程 419
10.1　概述 419
10.2　具体实现 421
10.2.1　进程换出函数xswap 422
10.2.2　程序段内存释放函数xccdec 423
10.2.3　交换函数swap 424
10.2.4　调用实例 425
10.3　综合示例 426
10.4　思考题 430　
第11章　UNIX可执行文件 431
11.1　.out文件 431
11.1.1　可执行头 431
11.1.2　程序段 432
11.1.3　数据段 432
11.1.4　程序和数据重定向表 432
11.1.5　符号表 434
11.1.6　示例 437
11.2　动态链接过程* 442
11.2.1　静态共享 443
11.2.2　动态共享 446
11.2.3　GOT/PLT表和位置无关代码（PIC） 446
11.2.4　动态加载过程分析 450　
第12章　系统调用 457
12.1　概述 457
12.2　系统调用的实现 457
12.2.1　用户实现 459
12.2.2　系统调用表和trap自陷 459
12.2.3　内核实现 469
12.3　各系统调用的实现 469
12.3.1　文件相关调用 471
12.3.2　进程相关调用 491
12.3.3　信号相关调用 538
12.3.4　调试功能调用 558
12.3.5　用户/组ID调用 586
12.3.6　时间相关调用 589
12.3.7　终端相关调用 591　
第13章　进程间通信 596
13.1　概述 596
13.2　管道 596
13.2.1　相关系统调用 596
13.2.2　管道实现过程分析 602
13.2.3　应用示例 603
13.2.4　采用内存文件实现管道 608
13.2.5　思考题 610
13.3　文件 610
13.4　有名管道 611
13.5　进程间同步 611
13.5.1　信号量 612
13.5.2　互斥体 621
13.5.3　事件 622
13.6　死锁 634
13.7　其他进程间数据传输方式 636
13.7.1　消息（message） 636
13.7.2　信箱（mailbox） 648
13.7.3　共享内存 671　
第14章　多线程的实现 686
14.1　概述 686
14.2　线程和经典进程的比较 686
14.3　线程的示例实现 686
14.3.1　相关数据结构 686
14.3.2　实现方案 689
14.3.3　线程创建调用CreateThread 691
14.3.4　内核改动 695
14.3.5　线程退出调用ExitThread 711
14.3.6　线程id获得调用gettid 712
14.3.7　线程挂起调用SuspendThread 712
14.3.8　线程恢复调用ResumeThread 714
14.3.9　线程终止调用TerminateThread 715
14.3.10　线程ID查询调用GetThreadID 719
14.3.11　线程名查询调用GetThreadName 720
14.3.12　使用示例 721
14.3.13　思考题 723　
第15章　网络多用户 724
15.1　系统初始化过程 724
15.1.1　init进程 724
15.1.2　getty程序 725
15.1.3　login程序 725
15.2　telnet程序 730
15.2.1　工作原理 730
15.2.2　常用配置 731
15.3　NFS（网络文件系统） 732
15.3.1　基本原理 733
15.3.2　RPC（远程过程调用） 734
15.3.3　各过程的实现 737
15.3.4　简单示例 741
附录A　参考书目及资源 742
附录B　思考题答案743