Linux内核分析之总览

Linux 7.0 内核详解

目录

第一部分：基础知识

• 第1章：x86_64 体系结构概览

  • 1.1 寄存器与数据类型
  • 1.2 实模式、保护模式与长模式
  • 1.3 分段与分页机制
  • 1.4 中断与异常
  • 1.5 特权级与保护机制
  • 1.6 Linux 内核安全加固机制全景

• 第2章：从加电到内核启动 —— 完整引导流程

  • 2.1 引导流程总览
  • 2.2 BIOS/UEFI 固件阶段
  • 2.3 Bootloader 与 Linux Boot Protocol
  • 2.4 实模式设置代码 (arch/x86/boot/)
  • 2.5 从实模式到保护模式
  • 2.6 从保护模式到长模式 —— 内核解压阶段
  • 2.7 内核解压与重定位
  • 2.8 内核映像入口 —— head_64.S
  • 2.9 早期 C 初始化 —— head64.c
  • 2.10 UEFI 直接引导路径
  • 2.11 多处理器启动 —— AP Trampoline

• 第3章：start_kernel() —— 架构无关的初始化

  • 3.1 start_kernel() 总览
  • 3.2 setup_arch() —— x86 架构初始化
  • 3.3 内存子系统早期初始化
  • 3.4 调度器初始化
  • 3.5 RCU 机制初始化
  • 3.6 中断与时钟初始化
  • 3.7 控制台与早期打印
  • 3.8 rest_init() —— 从内核到用户空间
  • 3.9 initcall 机制与驱动初始化
  • 3.10 挂载根文件系统与 exec /init

• 第4章：内核构建系统与映像格式

  • 4.1 Kbuild 系统概览
  • 4.2 bzImage 的生成过程
  • 4.3 vmlinux、vmlinuz 与 bzImage 的区别
  • 4.4 内核链接脚本分析
  • 4.5 内核配置机制 (Kconfig)

• 第5章：ARM64 体系结构与内核引导

  • 5.1 ARM64 体系结构概览 —— 寄存器、异常级别与系统寄存器
  • 5.2 ARM64 虚拟内存 —— TTBR0/TTBR1 分割与多级页表
  • 5.3 ARM64 异常向量与中断处理
  • 5.4 ARM64 内核引导 —— 从 primary_entry 到 start_kernel
  • 5.5 ARM64 UEFI 引导与内核映像格式
  • 5.6 ARM64 多处理器启动 —— PSCI 与 Spin Table
  • 5.7 ARM64 安全特性 —— PAC、BTI、MTE 与 KPTI
  • 5.8 ARM64 与 x86_64 内核对比

• 第6章：RISC-V 64 体系结构与内核引导

  • 6.1 RISC-V 体系结构概览 —— 寄存器、特权级别与 CSR
  • 6.2 RISC-V 虚拟内存 —— Sv39/Sv48/Sv57 与 SATP
  • 6.3 RISC-V 异常与中断处理
  • 6.4 RISC-V 内核引导 —— 从 _start 到 start_kernel
  • 6.5 RISC-V SBI —— 特权模式二进制接口
  • 6.6 RISC-V 多处理器启动与 HSM
  • 6.7 RISC-V 安全特性 —— CFI、Zkr、Svpbmt 与 KASLR
  • 6.8 RISC-V 虚拟化 —— H 扩展与 KVM
  • 6.9 三大架构对比 —— x86_64 vs ARM64 vs RISC-V

• 第7章：系统调用机制 —— 用户态与内核态的桥梁

  • 7.1 系统调用原理与分类
  • 7.2 x86_64 系统调用 —— SYSCALL/SYSRET 与 MSR
  • 7.3 ARM64 系统调用 —— SVC 异常与异常级别切换
  • 7.4 RISC-V 系统调用 —— ecall 与特权级切换
  • 7.5 系统调用表与参数传递
  • 7.6 VDSO 与 vsyscall —— 加速系统调用

第二部分：进程管理

• 第8章：进程描述符与任务结构

  • 8.1 task_struct 核心字段详解
  • 8.2 进程状态机 —— TASK_RUNNING 到 TASK_DEAD
  • 8.3 进程标识 —— PID、TGID、PGID 与 SID
  • 8.4 进程亲属关系与进程组
  • 8.5 per-CPU 数据与 current 宏

• 第9章：命名空间 (Namespaces)

  • 9.1 命名空间概述与设计哲学
  • 9.2 PID Namespace —— 进程 ID 隔离
  • 9.3 Mount Namespace —— 文件系统视图隔离
  • 9.4 Network Namespace —— 网络栈隔离
  • 9.5 User Namespace —— 用户身份隔离
  • 9.6 UTS、IPC、Cgroup 与 Time Namespace
  • 9.7 nsproxy 与 setns/unshare/pivot_root

• 第10章：进程创建与销毁

  • 10.1 fork() —— 写时复制的基础
  • 10.2 clone() —— 细粒度进程创建
  • 10.3 copy_process() 内部实现
  • 10.4 写时复制 (COW) 机制详解
  • 10.5 vfork() 与 kernel_thread()

• 第11章：调度器 —— CFS / EEVDF 与实时调度

  • 11.1 Linux 调度器演进史
  • 11.2 CFS 完全公平调度器 —— 核心数据结构
  • 11.3 EEVDF 调度器 —— Linux 7.0 新默认
  • 11.4 实时调度 —— SCHED_FIFO 与 SCHED_RR
  • 11.5 SCHED_DEADLINE —— 最早截止时间优先
  • 11.6 负载跟踪 —— PELT 与负载均衡
  • 11.7 SMP 调度与迁移

• 第12章：控制组 (cgroups v2)

  • 12.1 cgroups 演进与 v2 设计哲学
  • 12.2 cgroup 核心数据结构与生命周期
  • 12.3 CPU 控制器 —— cpu 与 cpuacct
  • 12.4 内存控制器 —— memory cgroup
  • 12.5 IO 控制器 —— io cost 与 io weight
  • 12.6 cpuset 与设备控制器
  • 12.7 cgroup namespace 与容器集成

• 第13章：上下文切换

  • 13.1 上下文切换的触发条件
  • 13.2 __schedule() 核心流程
  • 13.3 架构相关切换 —— switch_to 宏
  • 13.4 用户态 preempt_count 与抢占模型

• 第14章：进程终止与信号

  • 14.1 进程终止 —— do_exit() 与资源回收
  • 14.2 信号机制概述
  • 14.3 信号发送 —— kill、sigqueue 与内核信号
  • 14.4 信号投递与处理
  • 14.5 实时信号与可靠信号

第三部分：内核同步

• 第15章：原子操作、内存屏障与 per-CPU

  • 15.1 原子操作 —— atomic_t 与 atomic64_t
  • 15.2 内存屏障 —— compiler barrier 与 CPU barrier
  • 15.3 per-CPU 变量 —— 无锁共享
  • 15.4 READ_ONCE / WRITE_ONCE 与数据竞争

• 第16章：自旋锁、互斥锁与读写锁

  • 16.1 自旋锁 —— spinlock_t 与 ticket lock
  • 16.2 互斥锁 —— mutex_t 与乐观等待
  • 16.3 读写锁与顺序锁
  • 16.4 死锁检测与 lockdep

• 第17章：RCU、completion 与其他同步原语

  • 17.1 RCU 原理 —— 读侧无锁的优雅方案
  • 17.2 RCU 宽限期与回调机制
  • 17.3 SRCU 与可睡眠 RCU
  • 17.4 completion、fence 与 barrier

第四部分：内存管理

• 第18章：物理内存管理

  • 18.1 物理内存布局 —— E820 与 memblock
  • 18.2 内存节点 (pg_data_t) 与管理区 (zone)
  • 18.3 伙伴系统 (Buddy System)
  • 18.4 页帧与 page 结构体
  • 18.5 页面迁移与内存热插拔

• 第19章：页表与地址翻译

  • 19.1 多级页表结构 —— PGD 到 PTE
  • 19.2 x86_64 四级/五级页表
  • 19.3 ARM64 页表与 Block Mapping
  • 19.4 RISC-V Sv39/Sv48/Sv57 页表
  • 19.5 TLB 刷新与延迟策略

• 第20章：内核地址空间布局

  • 20.1 内核虚拟地址空间划分
  • 20.2 直接映射区 (Direct Mapping)
  • 20.3 vmalloc 区域与 vmap
  • 20.4 vmemmap 与 fixmap
  • 20.5 KASLR —— 内核地址空间随机化

• 第21章：SLAB/SLUB 分配器

  • 21.1 SLAB/SLUB/SLOB 三代分配器
  • 21.2 SLUB 数据结构 —— kmem_cache 与 slab
  • 21.3 对象分配与释放流程
  • 21.4 per-CPU partial slab 与碎片管理
  • 21.5 SLUB 安全加固 —— freelist 随机化与校验

• 第22章：进程地址空间

  • 22.1 用户地址空间布局 —— mmap 与栈
  • 22.2 VMA (vm_area_struct) 管理
  • 22.3 mmap 系统调用与映射类型
  • 22.4 页面换入 —— 按需分配与缺页处理
  • 22.5栈自动扩展与堆管理 (brk/mmap)

• 第23章：Huge Pages 与透明大页

  • 23.1 大页原理 —— 减少 TLB 失配
  • 23.2 HugeTLB —— 预分配大页
  • 23.3 透明大页 (THP) —— 自动大页合并
  • 23.4 大页与 KVM 虚拟化

• 第24章：页面置换与回收

  • 24.1 LRU 链表与页面老化
  • 24.2 kswapd 后台回收
  • 24.3 直接回收与内存压力
  • 24.4 OOM Killer —— 内存耗尽的终极手段

• 第25章：缺页异常处理

  • 25.1 缺页异常入口 —— x86_64 do_page_fault
  • 25.2 匿名页与文件页的分配策略
  • 25.3 Copy-on-Write 缺页处理
  • 25.4 ARM64 与 RISC-V 缺页异常路径对比

第五部分：进程间通信

• 第26章：管道与 FIFO

  • 26.1 管道原理与 pipe_inode_info
  • 26.2 管道读写与缓冲区管理
  • 26.3 FIFO (命名管道)

• 第27章：信号

  • 27.1 信号处理全链路
  • 27.2 信号帧与栈切换

• 第28章：System V IPC

  • 28.1 System V IPC 通用机制 —— ipc_ids 与 kern_ipc_perm
  • 28.2 System V 信号量
  • 28.3 System V 消息队列
  • 28.4 System V 共享内存

• 第29章：POSIX 消息队列

  • 29.1 POSIX 消息队列与 mqueue 文件系统

• 第30章：共享内存与内存映射

  • 30.1 POSIX 共享内存 (shm_open)
  • 30.2 内存映射 I/O —— mmap 与 msync

• 第31章：futex 与用户空间同步

  • 31.1 futex 原理 —— 快速用户空间互斥
  • 31.2 futex 系统调用与内核等待队列
  • 31.3 futex 与 pthread 互斥锁

• 第32章：eventfd、timerfd 与 signalfd

  • 32.1 eventfd —— 事件通知机制
  • 32.2 timerfd —— 定时器文件描述符
  • 32.3 signalfd —— 信号文件描述符

第六部分：文件系统

• 第33章：VFS 框架

  • 33.1 VFS 核心对象 —— superblock、inode、dentry、file
  • 33.2 文件系统注册与挂载
  • 33.3 路径查找 —— path_lookup 与 dcache
  • 33.4 文件读写 —— read/write 系统调用路径
  • 33.5 文件锁 —— flock 与 POSIX 锁

• 第34章：Ext4 文件系统

  • 34.1 Ext4 磁盘布局 —— 块组、inode 表与日志
  • 34.2 Ext4 inode 与 extent 树
  • 34.3 Ext4 日志 (JBD2)
  • 34.4 Ext4 在线调整与碎片整理

• 第35章：块层与 I/O 调度

  • 35.1 块设备层架构 —— request_queue 与 bio
  • 35.2 I/O 调度器 —— mq-deadline 与 bfq
  • 35.3 多队列块层 (blk-mq)

• 第36章：页缓存与 BIO

  • 36.1 页缓存 (Page Cache) —— address_space
  • 36.2 BIO 结构与提交路径
  • 36.3 回写机制 —— dirty page 与 flush 线程

• 第37章：伪文件系统

  • 37.1 /proc 文件系统 —— 进程与内核信息
  • 37.2 /sys (sysfs) —— 设备与驱动模型导出
  • 37.3 debugfs 与 tracefs
  • 37.4 tmpfs 与 ramfs —— 内存文件系统

• 第38章：OverlayFS 与联合挂载

  • 38.1 OverlayFS 原理与层次结构
  • 38.2 OverlayFS 实现 —— upperdir/lowerdir/workdir
  • 38.3 OverlayFS 与容器镜像

第七部分：设备驱动

• 第39章：Linux 设备模型

  • 39.1 kobject、kset 与 ktype
  • 39.2 设备树 (Device Tree) 与 platform_device
  • 39.3 sysfs 设备属性导出
  • 39.4 设备注册与自动探测 (probe)

• 第40章：字符设备驱动

  • 40.1 字符设备注册 —— register_chrdev
  • 40.2 file_operations 与设备文件操作
  • 40.3 miscdevice 与简化字符设备

• 第41章：块设备驱动

  • 41.1 块设备注册与 gendisk
  • 41.2 块设备请求处理

• 第42章：中断处理与延迟机制

  • 42.1 硬件中断处理 —— 上半部
  • 42.2 软中断 (softirq) 与 tasklet
  • 42.3 工作队列 (workqueue)
  • 42.4 线程化中断 (threaded IRQ)
  • 42.5 ARM64 GIC 与 RISC-V PLIC/APLICK 中断控制器

• 第43章：DMA 与 IOMMU

  • 43.1 DMA 原理与 DMA 映射
  • 43.2 流式 DMA 映射与一致性 DMA 缓冲区
  • 43.3 IOMMU —— 设备地址隔离与翻译

第八部分：网络协议栈

• 第44章：网络子系统架构

  • 44.1 网络协议栈分层与 sk_buff
  • 44.2 网络设备注册与 net_device
  • 44.3 NAPI —— 中断与轮询的折中

• 第45章：socket 层

  • 45.1 socket 系统调用与 sock 结构
  • 45.2 socket 缓冲区管理
  • 45.3 epoll —— I/O 多路复用

• 第46章：TCP/IP 协议栈

  • 46.1 IP 层 —— 路由与分片
  • 46.2 TCP 连接管理 —— 三次握手与四次挥手
  • 46.3 TCP 拥塞控制
  • 46.4 UDP 与 ICMP

• 第47章：Netfilter 与数据包过滤

  • 47.1 Netfilter 钩子与 hook 点
  • 47.2 nftables 子系统
  • 47.3 连接跟踪 (conntrack)

• 第48章：Netlink 通信机制

  • 48.1 Netlink 协议族与消息格式
  • 48.2 Netlink 在内核中的应用 —— 路由、SELinux、audit

第九部分：虚拟化

• 第49章：KVM 架构

  • 49.1 KVM 模块加载与 /dev/kvm
  • 49.2 VMCS (x86) / VTTBR (ARM64) / HGATP (RISC-V)
  • 49.3 VM Entry / VM Exit 与世界切换
  • 49.4 KVM 内存管理 —— EPT / S2PT / G-stage

• 第50章：硬件辅助虚拟化

  • 50.1 x86 VT-x / AMD-V 扩展
  • 50.2 ARM64 VHE 与嵌套虚拟化
  • 50.3 RISC-V H 扩展与 AIA

• 第51章：virtio 框架

  • 51.1 virtio 规范与 virtqueue
  • 51.2 virtio 设备实现 —— net、blk、console
  • 51.3 Vhost 与 Vhost-VDPA

第十部分：安全模块

• 第52章：LSM 框架

  • 52.1 LSM 钩子机制与安全审计
  • 52.2 多 LSM 堆叠与 BPF LSM
  • 52.3 安全上下文与 cred 结构

• 第53章：SELinux

  • 53.1 SELinux 策略模型 —— TE、RBAC、MCS
  • 53.2 SELinux 内核实现 —— AVC 与策略数据库
  • 53.3 SELinux 文件标记与进程迁移

• 第54章：AppArmor

  • 54.1 AppArmor 配置文件模型
  • 54.2 AppArmor 内核实现

• 第55章：Capability 与 Credential

  • 55.1 Linux Capability 机制详解
  • 55.2 cred 结构与权限检查
  • 55.3 User Namespace 与 Capability 映射

• 第56章：Seccomp 与沙箱机制

  • 56.1 Seccomp 原理 —— strict 模式与 filter 模式
  • 56.2 BPF 过滤器与系统调用审计
  • 56.3 Seccomp 与容器安全