Linux用户态C语言编程原理与实践

肖威轩，本科毕业于上海大学，硕士毕业于法国贡比涅技术大学，从法国克莱蒙-奥弗涅大学综合理工学院获得计算机专业的哲学博士学位。

曾在法国电力公司从事Linux环境中的智能电网充电桩协议栈开发等工作，现于法国巴黎初创公司进行人工智能伦理的研究与应用，包括在Linux环境中的人工智能模型运行环境和监控等。

长期致力于开源贡献、包括Linux应用程序与内核开发，对Linux驱动、嵌入式Linux和实时系统等有诸多了解与实践，并持续参与KDE社区的Linux桌面环境社区的开发与维护。

已于SCI索引刊物上发表多篇文章，于IEEE会议发表会议论文数篇。

前言

第1章Linux操作系统概述/

1.1用户态与内核态/

1.1.1硬件特权级、运行模式（x86）/

1.1.2Linux的用户态与内核态/

1.2用户态的优势/

1.2.1用户态的速度优势/

1.2.2受限的高级功能（中断、DMA）/

1.2.3更优的内核稳定性/

1.2.4高吞吐量网络设备/

1.2.5内核态的copyleft开源协议/

第2章C语言程序设计与标准库编程/

2.1桌面Linux使用的glibc简介/

2.2其他C语言标准库/

2.2.1uClibc/

2.2.2musl libc/

2.2.3BSD libc/

2.2.4Android Bionic/

第3章系统调用与Linux系统调用的实现/

3.1什么是系统调用/

3.1.1计算机架构、特权级与硬件资源访问限制/

3.1.2内核中的系统调用/

3.1.3系统调用open的实现/

3.2Linux系统调用的实现（内核态）/

3.2.1系统调用的通用处理/

3.2.2x86架构的系统调用实现/

第4章系统调用与C语言标准库/

4.1如何基于Linux系统调用实现C语言标准库/

4.1.1实现标准库的原理与方法/

4.1.2glibc中的标准库实例/

4.2基于Linux sysfs在用户态下编写程序控制硬件/

4.2.1什么是Linux sysfs/

4.2.2使用C语言标准库文件读写函数控制键盘LED/

4.2.3使用标准库中提供的系统调用或Shell脚本调节屏幕背光/

第5章Linux系统用户态驱动API/

5.1用户态驱动与内核态驱动/

5.1.1内核中的驱动与字符设备驱动/

5.1.2内核中的块设备驱动/

5.1.3内核中的网络设备驱动/

5.1.4用户态驱动的原理/

5.1.5在用户态实现驱动的优劣/

5.2用户态驱动接口Userspace I/O(UIO)/

5.2.1硬件设备的内存映射/

5.2.2UIO的用户态API/

5.2.3基于UIO实现的PCI设备用户态驱动/

5.3用户态驱动接口VFIO/

5.3.1VFIO与硬件无关IOMMU的重映射/

5.3.2使用VFIO实现PCI设备的用户态驱动/

第6章Linux系统用户态高性能网卡驱动分析/

6.1Intel网卡用户态驱动的架构/

6.2Intel网卡用户态驱动ixy的核心实现/

第7章Linux系统用户态文件系统FUSE分析/

7.1FUSE在内核中的实现模块/

7.2FUSE在用户态中的API与基础示例/

第8章用户态线程——协程/

8.1Linux内核中线程与进程切换的实现/

8.1.1线程与进程切换的算法与原理/

8.1.2线程与进程上下文切换实现/

8.2Linux环境用户态中含栈协程的实现/

8.2.1协程的上下文切换实现/

8.2.2基于用户态的栈实现协程状态 /

第9章基于Android HAL硬件抽象层的用户态驱动/

9.1Android HAL简介/

9.1.1Android HAL的作用/

9.1.2Android HAL的分类/

9.2HAL中的内核态隔离/

9.2.1HAL中灯光Light的实现分析/

9.2.2HAL中内核态部分的实现/

9.2.3HAL实现内核态GPL隔离的原理/

适读人群 ：从事嵌入式系统和Linux应用程序开发的读者

Linux用户态编程已经变成了服务器、云平台、AI开发者必备的技能之一。通过本书，我们将为读者提供全面的指导和实用的知识，帮助读者在Linux平台上进行高效的C语言编程。作者肖威轩老师有多年KDE开发经验，用生动形象的方式，系统并深入地阐述了C语言程序设计入门、Linux操作系统的构造，以及系统级API的使用方法，让广大读者能够很好地掌握并灵活使用C语言进行Linux 开发。因此，编辑认为本书是开源项目开发的相关从业者很值得拥有的一本书。

Linux操作系统上的用户态编程是通过系统调用提供的接口, 将原本需要在Linux内核中或者对Linux内核进行多次系统调用才能实现的功能, 放到内核之外来实现, 从而保证内核的稳定性, 获得更强的可拓展性, 并且可以将Linux内核的传染性开源协议隔离。全书共分9章, 第1、2章从用户态与内核态的基本概念入手, 简要介绍C语言标准库编程以及各种C语言标准库。第3章深入介绍系统调用的概念和计算机架构、特权级与硬件资源访问限制的关系, 以及内核中系统调用的处理方式。第4章涵盖了系统调用与C语言标准库的关系, 介绍如何基于Linux系统调用实现C语言标准库。第5章深入介绍了Linux系统用户态驱动API的使用和分析, 包括UserspaceI/O (UIO) 接口的使用和VFIO等用户态驱动接口的使用。第6-9章涵盖了高性能网卡Linux用户态驱动分析、用户态文件系统FUSE分析、用户态线程 —— 协程和基于AndroidHAL硬件抽象层的用户态驱动, 介绍了操作系统中各个关键组件在用户态中的实现方法。