小册上新｜全面升级技术内功，成为独当一面的技术高手！

作者介绍

挖坑的张师傅，应用软件副总工@希沃。目前主要从事 DevOps 后端、多云架构、边缘计算等相关开发工作，深耕一线开发。下面是作者的一些标签：

• Vim 爱好者；
• Java 逃兵（出版过一本 JVM 字节码的书），狂爱 Go、Rust，现在每天日常写 Go 和 Rust；
• 喜欢造一些没什么用的轮子，用 Rust 重写过 Flannel，用 Go 实现过 DDIA 中的一些算法和数据结构；
• 喜欢排查各类疑难杂症，对 Linux 内核、网络等有较多兴趣，掘金上写过 50+ 问题排查的文章，还写过一个《深入理解 TCP 协议：从原理到实战》的小册子；
• 热衷于分享，掘金优秀作者，在掘金上架了两本小册子，销量 1W+。「Go 夜读」、「掘金开发者大会」讲师。

为什么写这本小册

我目前的主要工作集中在基础架构、DevOps 和边缘计算等领域。在日常工作中，我经常会遇到业务方面奇奇怪怪的问题，涉及容器网络、文件 I/O、内存等方面。在解决这些问题的过程中，我意识到，要找到问题的根因，需要扎实的底层原理知识作为支撑，否则只能靠“算命”。

另外，我在掘金上发表了近 60 篇文章，几乎全部都与底层原理和问题排查定位相关。通过解决大量疑难杂症，我开始思考其中是否存在一些共通的知识点，可以总结出来帮助我们团队的成员提高定位问题的能力。

于是，就有了这本《给开发者的底层原理课》的小册。

其实算下来，本小册断断续续写了好久（历时 2 年+），一开始，我对如何定位这本书感到困惑，因为底层原理浩如烟海，但顾虑太多反而寸步难行。于是，我硬着头皮把这本小册子肝出来了，也算是自己的一个阶段性的总结吧。

这本小册涉及的主题非常广泛，每个主题都可以展开写一本书。在有限的篇幅内，我无法涵盖所有内容。因此，我选择从自己实际工作中遇到并解决过的问题出发，提炼出小册的知识点， 侧重于动手实践 ，太偏的知识我不介绍，尽量做到每个知识点都可以得到验证， 尽可能每个知识点你后面工作中都有可能会遇到。

小册介绍

本小册共分为五大模块，它们彼此相对独立，你可以选择你感兴趣的任意章节开始阅读。

模块一，基础篇 。 涵盖多个核心工具和技术的使用及原理，主要包含下面这些内容：

• 掌握 GDB 的基本使用方法和工作机制；
• 讲解如何使用 QEMU 和 GDB 调试 Linux 内核；
• 结合搜索引擎和大模型看懂理解汇编代码，从汇编的角度理解 C/C++、Go 的诸多细节；
• 探讨同步机制和锁的实现原理，介绍计算机先驱们是如何优化锁的；
• 深入理解线程本地存储 TLS 的实现原理；
• Linux 系统中的时钟源和高性能计时方法，以及 vdso 系统调用的实现和应用；
• 零拷贝技术的原理和实现，了解如何通过零拷贝提高数据传输效率；
• LD_PRELOAD 的使用方法和应用场景，介绍在审计、故障注入、性能分析上的应用；
• 深入分析系统调用的实现原理，如何传参，系统调用涉及的上下文切换等；
• ftrace 和 trace-cmd 工具的使用方法，方便你追踪内核调用过程；
• 手写 tcpdump。

模块二，CPU 篇 。 包含：

• 进程线程的本质，详细讲解 Linux 内核中 task_struct 结构；
• 进程的各种状态及其转换条件，帮助你理解进程的生命周期；
• 孤儿进程和僵尸进程的概念及其处理方法；
• Kubernetes 中的 pause 容器和僵尸进程问题；
• D 状态进程的含义及其对系统负载的影响；
• 进程上下文切换的本质，了解其对系统性能的影响；
• 完全公平调度（CFS）算法的原理和实现，理解线程是如何分配到 CPU 时间的；
• 实时进程调度算法的原理和实现；
• 火焰图的概念和使用方法，帮助你分析和优化 CPU 性能；
• CPU 亲和性和超线程技术的原理和应用，了解在多核处理器中应该注意什么；
• 通过实际代码示例，讲解如何手写协程，帮你了解协程的本质。

模块三，内存篇 。 包含：

• 理解虚拟内存和物理内存的概念；
• 比较 brk 和 mmap 两种内存分配系统调用的原理和应用场景，了解内存是如何分配的；
• 介绍进程内存分布的基本概念和结构，这在分析进程的内存占用时十分有用；
• 了解什么是缺页中断 PageFault；
• 深入分析 Linux OOM 机制，了解 overcommit、oom_score_adj 等概念；
• 讲解 malloc 和 free 函数的底层实现原理，理解 ptmalloc、jemalloc 等内存分配器的角色。

模块四，IO 篇 。 包含：

• 介绍虚拟文件系统（VFS）的概念和四大数据结构，理解 Linux 一切皆文件的精妙设计；
• 了解文件描述符（fd）分配的最低未使用原则；
• 理解文件描述符表（进程级）、打开文件列表（系统级）、i-node 表（系统级）三者之间的关系；
• 剖析 epoll 源码，理解等待队列、epoll 数据结构、事件回调等知识。

模块五，容器篇。主要介绍容器原理以及网络相关的知识：

• 支撑容器实现的实现原理：cgroup、namespace、rootfs 等概念；
• 容器网络基石：veth、bridge、tun/tap 等；
• 剖析内核层 conntrack 的实现；
• 理解 iptables 的基础概念与自定义规则链；
• DNS 的实现原理以及在各大语言中的注意事项；
• ARP 的基础知识以及 GC 的注意事项；
• 通过源码走读，介绍 socket 编程中的核心函数的内核层实现。

为了方便你全面概览小册子的内容，我列了一个这本小册的思维导图：

你将获得

• 五大板块，全面覆盖开发者必备关键理论知识；
• 深入底层，从根儿理解各技术工作原理和思想；
• 实战驱动，沉浸式学习，在动手中内化知识；
• 授之以渔，带你学会独立思考和解决问题。

适宜人群

这本小册覆盖的主题是比较广泛的，适用于下面这些人群：

• 开发工程师：无论是前端、后端、全栈还是移动端开发，深入理解 Linux 内核原理和系统编程，有助于写出更高质量、性能更好的代码。比如，通过学习内存管理原理，可以优化内存使用、分析内存泄露等问题。

• 运维/DevOps 工程师：运维工作与 Linux 系统密不可分。学习 Linux 内核，可以从根本上理解系统的方方面面，快速定位和解决各种疑难杂症。比如，GDB 和 ftrace 等调试工具的原理和使用，可以帮助更高效地排查故障。

• 测试开发工程师：学习 Linux 系统编程，更高效地排查问题根因、开发更强大的测试工具。

• 技术爱好者：对于热爱技术、喜欢探索的人来说，Linux 内核一直是一个神秘而有吸引力的领域。这本小册可以满足你的好奇心，让你对操作系统和计算机体系结构有更深刻的认识。

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学习底层原理，是程序员打磨内功、提升技术修为的必经之路。希望通过此小册，你可以习得攻克“疑难杂症”的内力，掌握精进的方法，成为独当一面的技术高手。期待你的加入！！

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