Linux-Kernel- Programmierung

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1 Michael Beck, Harald Böhme, Mirko Dziadzka, Ulrich Kunitz, Robert Magnus, Dirk Verworner, Claus Schröter Linux-Kernel- Programmierung Algorithmen und Strukturen der Version , aktualisierte und erweiterte Auflage TT ADDISON-WESLEY An imprint of Pearson Education München Reading, Massachusetts Menlo Park, California New York Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 5. Auflage Vorwort der Autoren zur 1. Auflage Vorwort von Linus Torvalds zur 1. Auflage xi xi xiv 1 Linux - Das Betriebssystem Wesentliche Eigenschaften Linux-Distributionen 5 2 Die Übersetzung des Kerns Wo finde ich was? Die Übersetzung Zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten 11 3 Einführung in den Kern Wichtige Datenstrukturen Die Taskstruktur Die Prozeßtabelle Files und Inodes Dynamische Speicherverwaltung Warteschlangen und Semaphore Systemzeit und Zeitgeber (Timer) Zentrale Algorithmen Signale Interrupts Booten des Systems Timerinterrupt Scheduler Implementierung von Systemrufen Wie funktionieren Systemrufe eigentlich? Beispiele für einfache Systemrufe Beispiele für komplexere Systemrufe 49 4 Die Speicherverwaltung Das architekturunabhängige Speichermodell 61

3 vi Inhaltsverzeichnis Speicherseiten Virtueller Adreßraum Übersetzung der linearen Adresse Das Pagedirectory Das mittlere Pagedirectory Die Pagetabelle Der virtuelle Adreßraum eines Prozesses Das Nutzersegment Virtuelle Speicherbereiche Der Systemruf brk Funktionen für das Mapping Das Kernelsegment Statische Speicherreservierung im Kernelsegment Dynamische Speicherreservierung im Kernelsegment Das Caching der Blockgeräte Blockpuffer Update und Bdflush Die Listenstrukturen des Puffercaches 85 X Verwendung des Puffercaches Paging unter Linux Speicherseitenverwaltung und -cache Speicherseitenreservierung Seitenfehler und das Zurückladen einer Speicherseite Interprozeßkommunikation Synchronisation im Kern Kommunikation über Dateien Das Sperren ganzer Dateien Sperren von Dateibereichen Pipes Debugging mit ptrace System VIPC Zugriffsrechte, Nummern und Schlüssel Semaphore Messagequeues Shared Memory Die Befehle ipcs und ipcrm IPC mit Sockets Ein einfaches Beispiel Die Implementierung von Unix-Domain-Sockets Das LlNUX-Dateisystem Grundlagen Die Repräsentation von Dateisystemen im Kern DasMounten 148

4 Inhaltsverzeichnis vii Superblockoperationen Dielnode Inode-Operationen Die File-Struktur File-Operationen Das Öffnen einer Datei Das sysctl-interface Das Ext2-Dateisystem Der Aufbau des xf2-dateisystems Verzeichnisse im Ext2-Dateisystem Blockallokation im xö-dateisystem Erweiterungen des Ex 2-Dateisystems Gerätetreiber unter Linux Zeichen- und Blockgeräte Hardware Port I/O Der Dinosaurier - ISA Bus PCI-Bus Polling, Interrupts und Wait Queues Polling Interruptbetrieb Interrupt Sharing Bottom Halfs - die unteren Interrupthälften Task Queues Timer Die Implementierung eines Treibers Beispiel - PC Lautsprechertreiber Ein einfacher Treiber Die Setup-Funktion Die Request-Funktion Init Open und Release Read und Write IOCTL Poll Lseek MMap Fasync Readdir, Fsync Check_ media_ change und Revalidate Dynamische und statische Treiber Netzwerkimplementierung Einführung und Überblick 234

5 viii Inhaltsverzeichnis Das Schichtenmodell der Netzwerkimplementation Die Reise der Daten Wichtige Strukturen Die socket-struktur Die Struktur sk_ buff-pufferverwaltung im Netzwerk Der INET-Socket - spezieller Teil eines Sockets Protokolloperationen in der pro to-struktur Die allgemeine Struktur einer Socketadresse Netzwerkgeräte unter Linux Ethernet SLIP und PLIP Das Loopback-Gerät Das Dummy-Gerät Ein Beispielgerät Module und Debugging Was sind Module? Implementierung im Kernel Signatur von Symbolen Bedeutung der Objektsektionen für Module und Kern Parameterübergabe Was kann als Modul implementiert werden? Der Kernel-Dämon Ein Beispielmodul Debugging Änderungen sind der Anfang vom Ende Derbeste Debugger-printk () Debuggen mit GDB Multiprocessing Die Intel-Mehrprozessorspezifikation Probleme bei Mehrprozessorsystemen Änderungen am Kern Initialisierung des Kerns Scheduling Interruptbehandlung Atomare Operationen Der atomare Datentyp Zugriffe auf den atomaren Datentyp Ändern und Test von atomaren Variablen Spinlccks Zutrittsfunktionen Read-Write-Spinlocks 288 A Systemrufe 289

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