前言

随着计算机技术的发展，开发人员想要根据业务需求写出相关实现代码还是比较容易的，因为已经有了很多工具、组件、库等可帮助我们实现功能。开发人员很少会自己裸写代码，不会从底层到上层全部由自己来实现。于是，很多开发人员一旦遇到程序出现问题就会茫然失措，不知道该如何处理，甚至故障诊断和分析都成了一门高深的技术难题。

我们做任何一件事情都应该知其然，并知其所以然。操作系统是计算机的基础，所有的应用程序都是运行在操作系统之上的，所以，不管开发人员使用什么语言，开发什么行业的应用，都应该了解操作系统的原理与实现细节。

本人因为长期从事系统架构相关的工作，在涉及一些中间件或者基础组件的研发工作过程中，经常会与操作系统打交道，特别是Linux内核。我个人认为，所有应用开发人员都应该了解操作系统的实现原理和思路。Linux是人类工程史上的一个奇迹（那么大的工程，那么多人在网络上维护，能保持那么高的可用性）, Linux内核作为一个开放源码的工程，在很多方面值得我们学习和借鉴。其实在工程领域，很多问题的解题思路是类似的，掌握内核的实现，对于我们更好地编写高性能、高可靠性的程序有很大帮助，也更加利于千里定位故障，秒杀Bug。

Linux体系结构

操作系统是所有应用程序生长的河床，它帮我们屏蔽各种硬件的细节，并且抽象出各种系统调用供应用开发人员来使用。

下面来介绍一下本书将要介绍的Linux内核的体系结构（图1），以便于后续章节展开分析。

整个Linux内核可以分为4层：

‰驱动管理层，驱动并管理外部一些硬件设备，例如磁盘、网卡等。

‰工具层，内核抽象出一些通用组件便于自己使用，例如并发管理中的一些锁、per-cpu变量等工具，另外还有中断机制，也给进程管理、信号处理等提供了基础功能。

‰系统能力层，操作系统的功能包括进程管理、内存管理、文件系统、I/O管理、网络等，这些功能都是基于工具层和驱动管理层提供的能力来构建的。

‰系统调用接口层（syscall），给应用程序开发人员提供相关接口。因为系统调用的使用成本较高，参数也比较多，需要对内核有较多了解，所以，又抽象出一些libc等库函数来封装系统调用，应用开发人员一般都是通过libc等库来与内核打交道的。

推荐预备知识

理论上说，只需具备一门编程语言的开发基础就能阅读本书，不过，为了更好地研究操作系统，我推荐大家先阅读下面的书籍：

‰《80x86汇编语言程序设计》（沈美明等），与CPU打交道最好的方式还是汇编语言，另外，了解汇编语言也方便更好地掌握计算机体系结构，进而深入理解系统的工作原理。

‰《Intel开发手册卷3》, Intel公司的开发手册，可以让读者了解CPU的工作原理、基本指令集等。CPU相关的功能也是内核最为重要的部分之一。

‰《自己动手编写操作系统》（于渊），该书通过编写一个简易系统，让读者更加了解硬件的工作原理。

‰《Linux内核完全注释》（v0.11）（赵炯），通过对0.11版本的Linux学习，可以了解早期的内核架构，这对学习新版本内核也有很大的帮助。

‰《软件调试的艺术》（马特洛夫），作为一名程序员，掌握基本的调试技能是必须的。

‰《程序员的自我修养：链接、装载与库》（潘爱民等），这本书有助于掌握编译、链接的原理，对了解操作系统编译、运行以及应用程序的装载原理有很大帮助。

当然，掌握C语言也是必须的，毕竟Linux内核是用C语言开发的，如果是C语言新手，可以先阅读Memcached的源码，因为作者的代码写得比较清晰，易于理解，初学者都可以轻松上手。

本书章节概述

由于篇幅有限，本书并没有详细介绍Linux内核的所有知识点，比如系统的启动过程，虽然对于一个内核的实现来讲，系统启动是非常重要的，但本书考虑的场景都是围绕系统启动之后提供的功能来展开的，所以本书没有包括这部分内容。

本书共分为8章，分别介绍Linux操作系统的各个模块。对于Linux内核来讲，各个模块之间虽然都是紧密结合的，但是从系统领域模型的角度，每一章都可以独立展开，读者既可以从头开始阅读，也可以选择自己感兴趣的章节进行学习。

第1章介绍进程和线程的概念、历史、实现原理、应用场景等，然后介绍Linux对进程和线程的实现，以及调度的机制、进程CPU亲和度等，并分析了Memcached线程池模型和Nginx工作进程池模型的实现，最后介绍了进程调试分析监控等工具的用法，包括gdb、coredump、strace、SystemTap、DTrace等调试工具。

第2章介绍并发的概念及其引发的相关问题，接着介绍操作系会在哪些场景遇到并发，进而分析Linux中的并发相关工具，如atomicspin_lock、semaphore、mutex、读写锁、per-cpu、抢占、内存屏障、RCU机制，最后介绍常见开源软件中的并发问题分析，如Nginx的原子性、Memcached的互斥锁、Linux中惊群问题分析、解决MyCat中的同步问题、伪共享问题解决方案等。

第3章首先介绍内存在体系结构中的作用，以及在使用中会遇到什么问题，接着介绍MMU的内存管理机制、线性地址、物理地址、虚拟地址等。接下来分析Linux是如何进行内存管理的，包括整体架构以及伙伴算法、slab分配器、kmalloc、vmalloc、mallc等。Linux栈内存如何分配，对于内核栈和线程栈Linux又是如何区分和管理的。最后介绍了Memcached和Redis是如何管理内存的。

第4章首先介绍x86系统的中断机制，以及为什么要引入中断机制，接着介绍Linux系统如何对中断机制进行封装和实现，并且介绍为加速中断的处理过程，Linux引入的机制，如软中断、tasklet、工作队列等，最后介绍系统调用、时钟中断、信号处理机制等实现方式。

第5章阐述了I/O在计算机体系结构中的重要性，以及I/O产生的全过程，还介绍I/O调度器和多队列机制。最后介绍一些开源系统和操作系统中I/O相关调用的实现，比如：I/O多路复用epoll调用、Redis对epoll的封装、Nginx读文件异步I/O、零拷贝技术，主要围绕mmap和sendfile的比对以及Mongodb、Kafka对零拷贝技术的使用等。

第6章以vfs为切入点，介绍Linux文件系统的整体架构以及文件系统的核心概念，并且介绍文件系统的主要功能：如安装、文件查找、读写等，简单介绍ext4文件系统，最后介绍TFS小文件系统的设计思路。

第7章介绍Intel VT的硬件虚拟化技术，以及Linux KVM模块等虚拟化技术，然后介绍chroot、namespace、cgroup等容器虚拟化底层技术在Linux上的实现，最后，着重分析新版Docker容器拆分后，容器化模块containerd的实现。

第8章围绕数据如何在Linux网络层流转来介绍Linux网络层的控制机制，首先简单介绍lvs如何在netfilter上进行定制，最后介绍Nginx服务器socket监听初始化的过程。

本书精选了大量案例，相关代码可以下载，地址为https://github.com/lingq1818/analysis_linux，其中包括本书使用的Linux内核源代码。

致谢

感谢我曾经的同事和领导们：庄涛、胡志强、何崚、吴国庆、刘晓飞、陈洁梅、郭秀军，等等，是你们对我工作的帮助和支持，才让我有机会深入了解Linux并有了总结思路。感谢吴怡编辑的辛勤工作和不断督促，让本书的出版成为可能。同时还要感谢许多我不知道名字的幕后工作人员为本书付出的努力。

最后，感谢我的家人，是你们默默地支持和付出，才能让我在工作上不断前进，你们的爱永远是我前进的动力。