Глава 1. Настройка рабочего пространства ядра, руководит вами при установке окончательно готового рабочего пространства разработки ядра Linux (обычно в виде полностью виртуальной гостевой системы). Вы изучите как устанавливать в ней все необходимые программные пакеты, включая инструментальную линейку кросс- трансляции. Вы также ознакомитесь с рядом прочих проектов с открытым исходным кодом, которые будут полезны в вашем путешествии к превращению в профессионального разработчика ядра, драйвера. Освоим данную главу, вы будете готовы к сборке ядра Linux, а также к началу написания и проверки кода ядра (через соответствующую платформу загружаемого модуля ядра)ю В нашем представлении для вас очень важно реально применять эту книгу практическим образом, пробуя и экспериментируя с кодом. Самый лучший способ освоить что- то, это выполнять это эмпирически, ни доверяя ни слову кого бы то ни было, а попробовав это на себе.

Глава 2. Сборка ядра Linux 5.4 из исходного кода - Часть I, выступает первой частью пояснения того как собирать ядро современного Linux с нуля при помощи исходного кода. В этой части вам будут предоставлены базовые сведения - имеющаяся номенклатура версий, различные деревья исходного кода,схема исходного кода самого ядра - в избранном дереве исходного кода ядра. Затем вам будет подробно показано как в точности выгружать некое стабильное унифицированное дерево исходного кода ядра Linux в вашу ВМ. Затем мы слегка рассмотрим относящееся к самой структуре исходного кода ядра, получая, по сути, "представление на 10 000 футов" основы кода ядра. Далее следует реальная работа по извлечению и настройке самого ядра Linux. Также показывается создание и использование некой индивидуальной записи меню для настройки ядра.

Глава 3. Сборка ядра Linux 5.4 из исходного кода - Часть II, это вторая часть осуществления сборки ядра из исходного кода. В этой части вы продолжите свою предыдущую главу, теперь и в самом деле собирая свой ядро, устанавливая модули ядра, разбираясь с тем что в действительности представляет собой initramfs (initrd) и как её вырабатывать, а также настройка необходимого начального загрузчика (для x86). К тому же, в качестве ценного добавления, данная глава затем поясняет как выполнять кросс- компиляцию необходимого ядра для типичной встраиваемой цели ARM (с применением в качестве целевого устройства популярного Raspberry Pi). Также упоминается ряд советов и трюков со сборками ядра и даже работы по безопасности (упрочнению) ядра.

Глава 4. Написание вашего первого модуля ядра - LKM, Часть I, это первая из двух частей, которая охватывает фундаментальные стороны разработки ядра Linux - собственно платформу LKM, а также как с ней разобраться и применять в качестве вас как "пользователя модуля" - программиста модуля ядра или драйвера устройства. Она покрывает самые основы архитектуры ядра Linux и затем, очень подробно, каждый шаг, вовлечённый в написание простейшего модуля ядра "Hello, world", его компиляции, вставки, проверки и удаления из пространства рассматриваемого ядра. Мы также подробно рассмотрим ведение журнала ядра при помощи вездесущего API printk.

Глава 5. Написание вашего первого модуля ядра - LKM, Часть II, выступает второй рассматривающей инфраструктуру LVM частью. Здесь мы приступаем к чему- то критически важному - изучению того как "лучше" применять Makefile, что поможет вам вырабатывать более надёжный код (имея некую проверку кода, исправление, статический анализ целей и тому подобное). Затем мы подробно покажем все этапы для успешной кросс- трансляции некого модуля ядра для какой- то альтернативной архитектуры, как эмулировать в своём ядре "подобный библиотеке" код (как через подход "редактирования сязей" - linking, так и через составление модулей в стек), задавая и передачу параметров в ваш модуль ядра и применяя их. Дополнительные темы включают в себя авоматическую загрузку модулей при запуске, важные руководства по безопасности, а также некоторые сведения по документации собираемого ядра и того, как получать к ней доступ. Более занимательным делают обучение некоторые примеры модулей ядра.

Глава 6. Существенные моменты внутреннего устройства ядра - Процессы и Потоки, погружается в некоторые сущностные вопросы тем внутреннего устройства ядра. Мы начинаем с того что подразумевается под выполнением в процессе и контекстах прерывания, а также минимально, но давая всё необходимое по структуре VAS (virtual address space, пространства виртуальных адресов) процесса пользователя. Это знаменует определённый этап для вас: далее вы более подробно ознакомитесь с архитектурой ядра Linux, сосредотачиваясь на собственно организации структур задачи процесса/ потока и соответствующих им стеках - режимов пользователя и ядра. Затем мы приоткроем вам больше структуру задачи самого ядра (структуру данных "root"), как на самом деле пожинать сведения из неё, и даже выполнять итерации по различным спискам (задач). Оживят эту тему несколько модулей ядра.

Глава 7. Внутреннее устройство управления памятью - Существенные моменты, ключевая в некоторм смысле глава, окунается в существенные вопросы внутреннего устройства подсистемы управления памятью Linux, причём до той степени детализации, которая необходима типичному автору модуля или разработчику драйвера. Таким образом, это рассмотрение обязательно носит более теоретический характер, тем не менее, полученные здесь знания имеют для вас, разработчика ядра, решающее значение как в отношении понимания и применения соответствующих API- интерфейсов памяти ядра, так и для выполнения имеющей значение отладки на уровне ядра. Мы рассмотрим расщепление на ВМ (и как оно происходит в различных реальных архитектурах), получим глубокое понимание VAS пользователя (на это откроет нам глаза наша утилита procmap), а также сегмент самого ядра (или VAS ядра). Далее мы вкратце рассмотрим технику безопасности рандомизации схемы памяти ([K]ASLR) и закончим данную главу обсуждением организации физической памяти в Linux.

Глава 8. Выделение памяти ядра авторам модуля Часть I, пачкает наши руки API выделения памяти ядра (и, очевидно, её высвобождения). Сначала вы ознакомитесь с двумя "уровнями" распределения в Linux - распределителе листов (slab), который размещается поверх "механизма" распределения памяти самого ядра и распределителя страниц (или BSA). Мы вкратце узнаем об основах алгоритма распределения страниц и его структуре данных "freelist", эти сведения важны для принятия решения о том, какой уровень применять. Далее мы сразу же перейдём к практической работе по применению этих ключевых API. Рассматриваются основные идеи, лежащие в основе распределителя листов (или кэша) и API первичного распределителя ядра - kzalloc/ kfree. Важно отметить, что также описываются ограничения значения размера, недостатки и предосторожности при применении этих распространённых API. Кроме того, что в особенности полезно для авторов драйверов, мы рассмотрим современные API распределения памяти, управляемые ресурсами (процедуры devm_*()).

Глава 9. Выделение памяти ядра авторам модуля Часть II, следует далее, неким логическим образом, продолжая предыдущую главу. Здесь вы обучитесь тому как создавать индивидуальные кэши листов (что полезно для частых распределений и возвратов, например, в неком индивидуальном драйвере), причём совместно с с некоторой поддержкой относительно отладки распределения памяти на уровне листов.Затем вы разберётесь с API vmalloc() (и дружественных им), а также с их использованием. Очень важно, что рассмотрев большое число API для распределения и изъятия памяти ядра, вы теперь ознакомитесь с тем, как подобрать подходящий API, принимая во внимание конкретную ситуацию в которой вы пребываете. Данная глава завершается важным рассмотрением платформы "уничтожителя" OOM (Out Of Memory, нехватки памяти). Разобравшись с ним, вы вы также придёте к более глубокому пониманию того как в реальности работает выделение памяти в пространстве пользователя через технику подкачки по запросу.

Глава 10. Планировщик ЦПУ - Часть I, это первая часть из двух глав рассматривает некую полезную смесь относящихся к планированию ЦПУ в ОС Linux теории и практики. Первоначально уделяется внимание самым минимальным необходимым теоретическим знаниям о потоке, таких как KSR и доступные политики планирования ядра. Затем рассматриваются достаточные для того, чтобы вы разобрались как работает в современной ОС Linux планирование ЦПУ, подробности внутреннего устройства ядра. Попутно вы изучите как "визуализировать" планирование процессорных устройств при помощи таких мощных инструментов как perf; также рассматриваются атрибуты планирования (политика и приоритет в реальном масштабе времени).

Глава 11. Планировщик ЦПУ - Часть II, эта вторая часть планирования ЦПУ продолжает более глубокое рассмотрение данной темы. Здесь мы охватываем последующие инструменты визуализации для планирования ЦПУ (применяющие мощное программное обеспечение, такое как утилиты LTTng и trace-cmd). Далее мы погружаемся в маскирование сродства своего ЦПУ и то как запрашивать/ устанавливать его, управляя политикой и приоритетом планирования на по- поточной основе - насколько мощная функциональная возможность! Здесь представлен обзор значимости и важности контрольных групп (cgroups) наряду с занимательным примером распределения полосы пропускания ЦПУ через cgroups v2. Можете ли вы запускать Linux в качестве ОС реального времени? Да, это действительно так! Далее приводятся подробности того как это осуществлять. Завершаем данную главу мы обсуждением задержек (в отношении планирования) и того как замерять их.

Глава 12. Синхронизация ядра- Часть I, прежде всего, раскрывает самые ключевые понятия, относящиеся к критическим разделам, атомарности, того, чего концептуально достигает блокировка и, что особенно важно, зачем всё это. Затем мы рассматриваем понятия одновременности относительно того, когда работа происходит внутри самого ядра Linux; это естественным образом перемещает нас к важным руководствам блокирования, тому что означает взаимная блокировка, а также к ключевым подходам препятствия взаимной блокировки. Далее более подробно обсуждаются две самые распространённые технологии блокировок ядра - это взаимоисключающие блокировки и спин блокировки совместно с некоторыми примерами кода (драйвера).

Глава 13. Синхронизация ядра- Часть II, продолжает наше путешествие по синхронизации ядра. Здесь вы изучите ключевые оптимизации блокировок - применение атомарности с малым весом и (наиболее последними) операторами refcount для безопасных операций с целыми, побитовых операторов RMW для безопасного выполнения побитовых операций, а также применения спин блокировок читатель- писатель поверх обычных. Затем рассматривается некий обзор свободных от блокировок технологий (с неким акцентом на переменные для ЦПУ и их применением, совместно с примерами). После этого уделяется внимание критически важной теме - технологиям отладки блокировок, включая применение мощной программы проверки блокировок ядра "lockdep". Данная глава закругляется кратким обзором барьеров памяти (сопровождаемым неким примером).

Теперь, когда вы являетесь гордым владельцем книги Packt, у нас есть целый ряд моментов для помощи вам в получении максимальной выгоды от вашей покупки.

Хотя мы и предприняли все меры чтобы обеспечить точность нашего содержимого, ошибки всё- таки возможны. Если вы обнаружили ошибку в нашей книге - возможно, ошибку в тексте или в коде - мы будем признательны если вы сообщите об этом нам. Сделав это, вы можете предостеречь остальных читателей от разочарования и помочь нам улучшить последующие версии данной книги. Если вы обнаружили ошибку, пожалуйста, сообщите о ней посетив www.packtpub.com/submit-errata, выбрав вашу книгу, кликнув на ссылку Errata Submission Form, и заполнив подробности найденной вами ошибки. Когда ваша ошибка будет проверена, вы получите уведомление и ошибка будет выложена на наш веб- сайт или добавлена в какой- нибудь перечень существующих ошибок с заголовком раздела Errata.

Для просмотра ранее выявленных ошибок посетите www.packtpub.com/books/content/support и введите название нужной книги в поле поиска. Необходимая информация появится в разделе Errata.

Пиратство, защищённых авторским правом материалов в Интернете является постоянной проблемой во всех средствах массовой информации. В Packt мы подходим к защите наших авторских прав и лицензий очень серьёзно. Если вы столкнётесь с какой-либо незаконной копией наших работ в любой форме в Интернете, пожалуйста, предоставьте нам сразу адрес местонахождения или имя веб-сайта, чтобы мы могли принять меры. {Прим. пер.: Согласно закону об авторском праве РФ, авторские права на перевод принадлежат авторам этого перевода. Данным переводом, по нашему мнению, мы служим популяризации основных стратегических направлений развития тем Packt. В случае наличия конструктивных предложений, готовы к тесному сотрудничеству.}

Пожалуйста, обратитесь по адресу copyright@packtpub.com со ссылкой на материалы содержащие признаки нарушения авторских прав.

Мы выражаем вам признательность в защите наших авторов и нашей возможности доносить до вас имеющего ценность содержимого.