Linux-Kernel- Programmierung

Transkript

1 Michael Beck, Harald Böhme, Mirko Dziadzka, Ulrich Kunitz, Robert Magnus & Dirk Verworner Linux-Kernel- Programmierung Algorithmen und Strukturen der Version , aktualisierte und erweiterte Auflage ADDISON-WESLEY An imprint of Addison Wesley Longman, Inc. Bonn Reading, Massachusetts Menlo Park, California New York Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 4., aktualisierten und erweiterten Auflage Vorwort zur 3., überarbeiteten Auflage Vorwort zur 2., korrigierten Auflage Vorwort der Autoren zur 1. Auflage Vorwort von Linus Torvalds zur 1. Auflage xi xi xii xiii xv 1 Linux - Das Betriebssystem Wesentliche Eigenschaften Linux-Distributionen 5 2 Die Übersetzung des Kerns Wo finde ich was? Die Übersetzung Zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten 12 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 50

3 3.3.3 Beispiele für komplexere Systemrufe Implementierung eines neuen Systemrufes 61 4 Die Speicherverwaltung Das architekturunabhängige Speichermodell 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 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 140

4 vii 6 Das LlNUX-Dateisystem Grundlagen Die Repräsentation von Dateisystemen im Kern DasMounten Superblockoperationen Dielnode Inode-Operationen Die File-Struktur File-Operationen Das Offnen einer Datei Der Verzeichniscache Das Proc-Dateisystem Das Ext2-Dateisystem Der Aufbau des Ext2-Dateisystems Verzeichnisse im Extl -Dateisystem Blockallokation im Extl -Dateisystem Erweiterungen des Ex 2-Dateisystems Gerätetreiber unter Linux Zeichen- und Blockgeräte Polling- und Interruptbetrieb Polling Interruptbetrieb Interrupt Sharing Bottom Halfs - Die unteren Interrupthälften Task Queues DMA-Betrieb Die Hardware, Hardwareerkennung Automatische Interrupterkennung Die Implementierung eines Treibers Die Setup-Funktion Init Open und Release Read und Write IOCTL Select Lseek MMap Readdir, Fsync und Fasync Check_media_change und Revalidate Ein Beispiel für den DMA-Betrieb Netzwerkimplementierung Einführung und Überblick 226

5 Vlll 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 proto-struktur Die allgemeine Struktur einer Socketadresse Netzwerkgeräte unter Linux Ethernet SLIP und PLIP Das Loopback-Gerät Das Dummy-Gerät ARP - Address Resolution Protocol IP Allgemeines über IP Funktionen des IP Routing Das IP-Multicasting und IGPM IP-Paketfilter Das IP-Accounting und IP-Firewalling UDP Funktionen des UDP Weitere Funktionen TCP Allgemeines zum TCP Der TCP-Kommunikationsendpunkt Funktionen des TCP Die Paketschnittstelle - eine Alternative? Module und Debugging Was sind Module? Implementierung im Kernel Signatur von Symbolen Was kann als Modul implementiert werden? Parameterübergabe Der Kern-Dämon Ein Beispielmodul Debugging Änderungen sind der Anfang vom Ende Der beste Debugger-printk() Debuggen mit GDB Multiprocessing Die Intel-Mehrprozessorspezifikation 291

6 ix 10.2 Probleme bei Mehrprozessorsystemen Änderungen am Kern Initialisierung des Kerns Scheduling Nachrichtenaustausch der Prozessoren Eintritt in den Kern-Modus Interruptbehandlung LINUX-SMP compilieren 297 A Systemrufe 299 A.l Die Prozeßverwaltung 301 A.2 Das Dateisystem 337 A.3 Die Kommunikation 366 A.4 Die Speicherverwaltung 369 A.5 Die Initialisierung 374 A.6 Und der ganze Rest 376 B Kernnahe Kommandos 377 B.l free - Übersicht über den Systemspeicher 377 B.2 ps - Ausgabe der Prozeßstatistik 378 B.3 Nachträgliche Kernkonfiguration 384 B.4 top - Die CPU-Charts 385 B.5 Init - Primus inter pares 387 B.6 shutdown - Das Herunterfahren des Systems 393 B.7 strace - Observierung eines Prozesses 394 B.8 Konfiguration des Netzwerk-Interfaces 398 B.9 traceroute - Der Ariadnefaden im Internet 399 B.10 Konfiguration einer seriellen Schnittstelle 401 B.ll Konfiguration einer parallelen Schnittstelle 404 B.12 Wir basteln uns einen Verzeichnisbaum 406 C Das Proc-Dateisystem 415 C.l Das Verzeichnis /proc/ 416 C.2 Das Verzeichnis net/ 421 C.3 Das Verzeichnis seif/ 422 C.4 Das Verzeichnis sys/ 426 D Der Boot-Prozeß 427 D.l Ablauf des Bootens 427 D.2 LILO - der Linux-Lader 429 D.2.1 MS-DOS-MBR startet LILO 429 D.2.2 LILO wird von einem Bootmanager gestartet 430 D.2.3 LILO im Master-Boot-Record 431 D.2.4 LILO-Dateien 431 D.2.5 LILO-Bootparameter 435

7 D.2.6 LILO-Startmeldungen 438 D.2.7 Fehlermeldungen 438 E Nützliche Kernfunktionen 441 L Literaturverzeichnis 455 I Index 460