自研操作系統:DIM-SUM設計與實現

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本書詳細闡述了自研操作系統DIM-SUM的設計與實現,提供了在ARM 64虛擬機中動手實踐DIM-SUM及參與DIM-SUM開發的方法。針對DIM-SUM操作系統的同步與互斥、調度、內存、中斷與定時器、塊設備、文件系統模塊進行了詳細的分析,包括這些模塊的設計思路、數據結構定義、關鍵API說明。最重要的是,本書對各個模塊的主要函數進行了逐行解釋,有助於讀者深刻理解如何實現一款實用的操作系統。最後,本書還展望了接下來10年DIM-SUM操作系統的發展目標,希望最終其能發展為可以在服務器系統、桌面系統中實用的自研操作系統。

目錄大綱

第 1章 準備工作 1 1.1 DIM-SUM簡介 1 1.2 DIM-SUM是什麽 1 1.2.1 DIM-SUM的第一個版本為什麽是HOT-POT 1 1.2.2 DIM-SUM歡迎什麽 2 1.2.3 DIM-SUM不歡迎什麽 3 1.3 獲得源代碼 3 1.3.1 通過網頁下載源代碼 3 1.3.2 通過Git獲取源代碼 3 1.4 搭建調試開發環境 4 1.4.1 安裝ubuntu 16.04 4 1.4.2 ubuntu 16.04環境配置 5 1.4.3 搭建編譯環境 6 1.4.4 編譯HOT-POT 7 1.4.5 運行HOT-POT 8 1.4.6 開始調試 10 1.5 向DIM-SUM操作系統提交補丁 11 1.5.1 心態 11 1.5.2 準備工作 11 1.5.3 製作補丁 13 1.5.4 製作正確的補丁 14 1.5.5 發送補丁 16 1.6 獲得幫助 17 1.7 提醒 17 第 2章 算法基礎 18 2.1 鏈表 18 2.2 散列表 19 2.3 紅黑樹 20 2.4 基樹 22 第 3章 計數與互斥同步 23 3.1 計數 23 3.1.1 計數的難題 24 3.1.2 精確計數器 24 3.1.3 近似計數器 27 3.1.4 引用計數 31 3.2 內核互斥原語 32 3.2.1 每CPU變量 32 3.2.2 自旋鎖 38 3.2.3 自旋位鎖 42 3.2.4 自旋順序鎖 44 3.2.5 自旋讀/寫鎖 47 3.2.6 讀/寫信號量 50 3.2.7 互斥鎖 56 3.3 內核同步原語 60 3.3.1 信號量的設計原理 60 3.3.2 信號量的數據結構 61 3.3. 3 信號量API 61 3.3.4 信號量的實現 62 第 4章 調度 65 4.1 基本概念 65 4.1.1 進程和線程 65 4.1.2 任務 66 4.1.3 任務搶占 66 4.1.4 idle線程 66 4.2 SMP CPU初始化 66 4.3 數據結構 71 4.3.1 線程 71 4.3.2 調度隊列 76 4.3.3 雜項 77 4.4 調度子系統初始化 77 4.4.1 init_sched_early函數 78 4.4.2 init_idle_process函數 78 4.4.3 init_sched函數 79 4.5 線程調度 79 4.5.1 上下文切換 79 4.5.2 喚醒線程 82 4.6 高級調度API 85 4.6.1 等待隊列 85 4.6.2 位等待隊列 89 4.6.3 線程睡眠 93 4.6.4 消息隊列 96 第 5章 中斷及定時器 108 5.1 中斷控制器初始化 108 5.1.1 主CPU中斷控制器初始化 109 5.1.2 從CPU中斷控制器初始化 110 5.2 中斷控制器維護 110 5.2.1 中斷號映射 110 5.2.2 邏輯中斷的控制 113 5.2.3 設備中斷處理函數 116 5.3 中斷處理 119 5.3.1 序言 119 5.3.2 中斷處理通用流程 120 5.3.3 處理外部設備中斷 122 5.3.4 處理核間中斷 126 5.3.5 軟中斷 126 5.3.6 尾聲 126 5.4 工作隊列 128 5.4.1 工作隊列的數據結構 128 5.4.2 工作隊列的全局變量 130 5.4.3 工作隊列的API 130 5.4.4 工作隊列的實現 131 5.5 定時器與時間管理 139 5.5.1 初始化 139 5.5.2 定時器的數據結構 139 5.5.3 定時器的全局變量 141 5.5.4 定時器的API 141 5.5.5 定時器的實現 141 5.5.6 定時器中斷處理 144 5.5.7 時間管理 148 第 6章 內存管理 151 6.1 內存初始化 151 6.1.1 艱難地準備C運行環境 151 6.1.2 準備BOOT內存空間 152 6.1.3 物理內存塊管理 152 6.1.4 早期設備內存映射 153 6.1.5 初始化每CPU變量 157 6.1.6 初始化線性映射 157 6.1.7 其他內存初始化工作 160 6.2 BOOT內存分配器 160 6.2.1 BOOT內存分配API 161 6.2.2 BOOT內存分配器的實現 161 6.2.3 BOOT內存分配器的銷毀 163 6.3 頁面編號 163 6.3.1 頁面編號的數據結構 164 6.3.2 頁面編號的全局變量 165 6.3.3 頁面編號的API 165 6.3.4 頁面編號的實現 165 6.4 頁面分配器 168 6.4.1 頁面分配器的設計原理 168 6.4.2 頁面分配器的數據結構 169 6.4.3 頁面分配器的全局變量 174 6.4.4 頁面分配器的API 175 6.4.5 頁面分配器的實現 176 6.4.6 頁面分配器的初始化 192 6.5 Beehive內存分配器 193 6.5.1 Beehive內存分配器的設計原理 193 6.5.2 Beehive內存分配器的數據結構 195 6.5.3 Beehive內存分配器的全局變量 197 6.5.4 Beehive內存分配器的API 199 6.5.5 Beehive內存分配器的實現 199 6.5.6 Beehive內存分配器的初始化 214 6.6 I/O內存映射 216 第 7章 塊設備 219 7.1 磁盤及其分區 220 7.1.1 磁盤及其分區的數據結構 220 7.1.2 磁盤及其分區的全局變量 222 7.1.3 磁盤及其分區的API 222 7.1.4 磁盤及其分區的實現 222 7.2 塊設備維護 228 7.2.1 塊設備的數據結構 228 7.2.2 塊設備的全局變量 230 7.2.3 塊設備的API 231 7.2.4 塊設備的實現 231 7.3 I/O請求 242 7.3.1 I/O請求的數據結構 243 7.3.2 I/O請求的全局變量 250 7.3.3 I/O請求的API 250 7.3.4 I/O請求的實現 251 7.4 I/O調度 265 7.4.1 I/O調度的數據結構 265 7.4.2 I/O調度的全局變量 267 7.4.3 I/O調度的API 267 7.4.4 I/O調度的實現 268 第 8章 虛擬文件系統 271 8.1 掛載、卸載文件系統 271 8.1.1 掛載、卸載文件系統的數據結構 272 8.1.2 掛載、卸載文件系統的全局變量 277 8.1.3 掛載、卸載文件系統的API 278 8.1.4 掛載、卸載文件系統的實現 278 8.2 文件節點緩存 285 8.2.1 文件節點緩存的數據結構 286 8.2.2 文件節點緩存的全局變量 288 8.2.3 文件節點緩存的API 289 8.2.4 文件節點緩存的實現 290 8.3 打開、關閉文件 304 8.3.1 打開、關閉文件的數據結構 305 8.3.2 打開、關閉文件的全局變量 308 8.3.3 打開、關閉文件的API 309 8.3.4 打開、關閉文件的實現 309 8.4 讀/寫文件 319 8.4.1 讀/寫文件的數據結構 320 8.4.2 讀/寫文件的全局變量 323 8.4.3 讀/寫文件的API 323 8.4.4 讀/寫文件的實現 323 8.5 其他功能 337 第 9章 雜項文件系統 338 9.1 文件系統的掛載 338 9.1.1 第一次加載根文件系統 338 9.1.2 第二次加載根文件系統 340 9.2 內存文件系統 340 9.2.1 內存文件系統的數據結構 340 9.2.2 內存文件系統的全局變量 340 9.2.3 內存文件系統的API 341 9.2.4 內存文件系統的實現 341 9.3 設備文件系統 349 9.3.1 設備文件系統的數據結構 349 9.3.2 設備文件系統的全局變量 350 9.3.3 設備文件系統的API 351 9.3.4 設備文件系統的實現 351 第 10章 LEXT3文件系統 358 10.1 簡介 358 10.1.1 超級塊 359 10.1.2 塊組描述符 359 10.1.3 塊位圖 360 10.1.4 文件節點位圖 360 10.1.5 文件節點表 360 10.1.6 文件節點 360 10.1.7 文件日誌 362 10.2 LEXT3 363 10.2.1 LEXT3的數據結構 363 10.2.2 LEXT3的全局變量 371 10.2.3 LEXT3的API 372 10.2.4 LEXT3的實現 373 10.3 文件系統日誌 397 10.3.1 日誌的數據結構 397 10.3.2 日誌的全局變量 405 10.3.3 日誌的API 405 10.3.4 日誌的實現 406 第 11章 雜項 438 11.1 klibc 438 11.2 網絡子系統 440 11.3 SIMPLE-KSHELL 440