深入解析Mac OS X & iOS操作系统 [美] 莱文著 郑思遥译 PDF下载

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《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》编著者莱文。

系统开发者、内核黑客和对苹果感到好奇的人们注意了!本书探讨了MacOSX系统和iOS系统的方方面面,深入讲解了两个系统的架构,讨论了框架手册没有讨论的内容。本书清晰而详细地讨论了苹果操作系统的内部工作原理,包括苹果私有的API,书中的大部分内容都是首次披露。

《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》在漫游系统架构的时候,从用户态深入到内核态,通过带注释的代码示例揭示了每一个层次和组件,还提供了可上手的实验,并且比较了两个系统实现的区别。

主要内容

◆引导过程:Mac的EFI、iOS的iBoot以及内核启动过程

◆进程、线程以及虚拟内存管理

◆通过DTrace、ptrace和隐藏的系统调用进行调试和性能剖析

◆系统级的API:POSIX调用、Mach陷阱以及OSX/iOS私有的API

◆文件系统架构,包括VFS和HFS+

◆网络架构:从套接字到网络接口以及网络驱动程序

◆内核扩展、驱动程序以及I/OKit架构的讨论

◆安全特性、强制访问控制(MAC)以及iOS监狱

《深入解析MacOSX&iOS操作系统》的支持网站(http://www。newosxbook。com)包含了示例程序、可免费下载的工具、更新的参考资料以及其他额外的内容。

第Ⅰ部分 高级用户指南
第1章 达尔文主义:OS X的进化史 3
1.1 前达尔文时代:Mac OS
Classic 3
1.2 浪子回头:NeXTSTEP 4
1.3 走进新时代:OS X操作系统 4
1.4 迄今为止的所有OS X版本 5
1.4.1 10.0——Cheetah,初出茅庐 5
1.4.2 10.1——Puma,更强大 5
1.4.3 10.2——Jaguar,渐入佳境 6
1.4.4 10.3——Panther和Safari 6
1.4.5 10.4——Tiger,转投Intel的
怀抱 6
1.4.6 10.5——Leopard和UNIX 6
1.4.7 10.6——Snow Leopard 7
1.4.8 10.7——Lion 7
1.4.9 10.8——Mountain Lion 8
1.5 iOS——走向移动平台的
OS X 9
1.5.1 1.x——Heavenly,
第一代iPhone 9
1.5.2 2.x——App Store、3G和
企业级的特性 10
1.5.3 3.x——告别第一代,
迎来iPad 10
1.5.4 4.x——iPhone 4、Apple TV和
iPad 2 10
1.5.5 5.x——iPhone 4S和
更新的硬件 11
1.5.6 iOS和OS X对比 11
1.6 OS X的未来 13
1.7 本章小结 14
参考文献 15
第2章 合众为一:OS X和iOS的架构 17
2.1 OS X架构概述 17
2.2 用户体验层 19
2.2.1 Aqua 19
2.2.2 QuickLook 20
2.2.3 Spotlight 21
2.3 Darwin——UNIX核心 22
2.3.1 Shell 22
2.3.2 文件系统 23
2.4 UNIX的系统目录 23
2.4.1 OS X特有的目录 24
2.4.2 iOS文件系统的区别 25
2.5 bundle 25
2.6 应用程序和app 26
2.6.1 Info.plist 27
2.6.2 Resources目录 29
2.6.3 NIB文件 29
2.6.4 通过.lproj文件实现国际化 30
2.6.5 图标文件(.icns) 30
2.6.6 CodeResources 30
2.7 框架 33
2.7.1 框架bundle格式 33
2.7.2 OS X和iOS公共框架列表 35
2.8 库 41
2.9 其他应用程序类型 43
2.9.1 Java(仅限于OS X) 43
2.9.2 Widget 43
2.9.3 BSD/Mach原生程序 44
2.10 系统调用 44
2.10.1 POSIX 44
2.10.2 Mach系统调用 45
2.11 XNU概述 47
2.11.1 Mach 47
2.11.2 BSD层 48
2.11.3 libkern 48
2.11.4 I/O Kit 48
2.12 本章小结 48
参考文献 49
第3章 站在巨人的肩膀上:OS X和
iOS使用的技术 51
3.1 BSD相关的特性 51
3.1.1 sysctl 51
3.1.2 kqueue 53
3.1.3 审计(OS X) 54
3.1.4 强制访问控制 57
3.2 OS X和iOS特有的技术 60
3.2.1 用户和组的管理(OS X) 60
3.2.2 系统配置 62
3.2.3 记录日志 64
3.2.4 Apple事件和AppleScript 66
3.2.5 FSEvents 68
3.2.6 通知 73
3.2.7 其他重要的API 73
3.3 OS X和iOS的安全机制 73
3.3.1 代码签名 74
3.3.2 隔离机制(沙盒化) 75
3.3.3 Entitlement:更严格的沙盒 77
3.3.4 沙盒机制的实施 82
3.4 本章小结 83
参考文献 84
第4章 庖丁解进程:Mach-O格式、
进程以及线程内幕 85
4.1 关键概念回顾 85
4.1.1 进程和线程 85
4.1.2 进程生命周期 86
4.1.3 UNIX信号 89
4.2 可执行文件 91
4.3 通用二进制格式 92
4.3.1 Mach-O二进制格式 95
4.3.2 加载命令 98
4.4 动态库 104
4.4.1 启动时库的加载 105
4.4.2 库的运行时加载 113
4.4.3 dyld的特性 115
4.5 进程地址空间 120
4.5.1 进程入口点 120
4.5.2 地址空间布局随机化 121
4.5.3 32位地址空间(Intel) 122
4.5.4 64位地址空间 123
4.5.5 32位地址空间(iOS) 123
4.6 进程内存分配(用户态) 128
4.6.1 alloca() 128
4.6.2 堆分配 128
4.6.3 虚拟内存——系统
管理员的角度 130
4.7 线程 132
参考文献 134
第5章 进程跟踪和调试 135
5.1 DTrace 135
5.1.1 D语言 135
5.1.2 dtruss 138
5.1.3 DTrace工作原理 139
5.2 其他剖析机制 142
5.2.1 CHUD的衰落 142
5.2.2 继任者AppleProfileFamily 142
5.3 进程信息 143
5.3.1 sysctl 143
5.3.2 proc_info 144
5.4 进程和系统快照 146
5.4.1 system_profiler(8) 146
5.4.2 sysdiagnose(1) 146
5.4.3 allmemory(1) 147
5.4.4 stackshot(1) 148
5.4.5 stack_snapshot系统调用 149
5.5 kdebug 152
5.5.1 基于kdebug的工具 152
5.5.2 kdebug代码 152
5.5.3 写入kdebug消息 154
5.5.4 读取kdebug消息 155
5.6 应用程序崩溃 156
5.6.1 应用程序挂起和采样 159
5.6.2 内存破坏的bug 160
5.7 内存泄漏 161
5.7.1 heap(1) 162
5.7.2 leaks(1) 162
5.7.3 malloc_history(1) 163
5.8 标准UNIX工具 163
5.8.1 通过ps(1)列出进程列表 164
5.8.2 top(1):系统全局视图 164
5.8.3 通过lsof(1)和fuser(1)
进行文件诊断 165
5.9 使用GDB 165
5.9.1 GDB的Darwin扩展 166
5.9.2 GDB用于iOS 166
5.9.3 LLDB 166
5.10 本章小结 167
参考文献和深入阅读 167
第6章 引导过程:EFI和iBoot 169
6.1 传统形式的引导 169
6.2 揭秘EFI 171
6.2.1 EFI的基本概念 171
6.2.2 EFI服务 173
6.2.3 NVRAM变量 177
6.3 OS X和boot.efi 178
6.3.1 boot.efi的执行流程 179
6.3.2 引导内核 185
6.3.3 内核对EFI的回调 187
6.3.4 Lion中boot.efi的变化 187
6.3.5 Boot Camp 187
6.3.6 bless(8) 188
6.4 iOS和iBoot 192
6.4.1 初期:引导ROM 193
6.4.2 普通引导 194
6.4.3 恢复模式引导 195
6.4.4 设备固件更新(DFU)模式 195
6.4.5 降级和回放攻击 196
6.5 安装镜像 196
6.5.1 OS X安装过程 196
6.5.2 iOS文件系统镜像
(.ipsw文件) 201
6.6 本章小结 206
参考文献和深入阅读 206
第7章 贯穿始终——launchd 207
7.1 launchd 207
7.1.1 启动launchd 207
7.1.2 系统范围和用户范围的
launchd 208
7.1.3 守护程序和代理程序 208
7.1.4 多面手launchd 209
7.2 LaunchDaemon列表 220
7.3 GUI shell程序 224
7.3.1 Finder(OS X) 224
7.3.2 SpringBoard(iOS) 225
7.4 XPC(Lion和iOS) 230
7.5 本章小结 234
参考文献和深入阅读 235
第Ⅱ部分 内核
第8章 内核架构 239
8.1 内核基础知识 239
8.2 用户态和内核态 243
8.2.1 Intel架构——ring 243
8.2.2 ARM架构——CPSR 244
8.3 内核态/用户态转换机制 245
8.3.1 Intel上的陷阱处理程序 246
8.3.2 自愿的内核转换 254
8.4 系统调用的处理 259
8.4.1 POSIX/BSD系统调用 260
8.4.2 Mach陷阱 263
8.4.3 机器相关的调用 267
8.4.4 诊断调用 268
8.5 XNU和硬件抽象 270
8.6 本章小结 272
参考文献 272
第9章 由生到死——内核引导和
内核崩溃 273
9.1 XNU源代码 273
9.1.1 获得源代码 273
9.1.2 make XNU 274
9.1.3 一个内核,多种架构支持 276
9.1.4 XNU源代码树 278
9.2 引导XNU 281
9.2.1 引导过程概览 281
9.2.2 OS X:vstart 282
9.2.3 iOS:start 283
9.2.4 [i386|arm]_init 283
9.2.5 i386_init_slave() 285
9.2.6 machine_startup 285
9.2.7 kernel_bootstrap 286
9.2.8 kernel_bootstrap_thread 289
9.2.9 bsd_init 291
9.2.10 bsdinit_task 296
9.2.11 睡眠和唤醒 299
9.3 引导参数 300
9.4 内核调试 302
9.4.1 “不要害怕”——
避免panic 303
9.4.2 panic的实现 304
9.4.3 panic报告 306
9.5 本章小结 310
参考文献 310
第10章 Mach原语:一切以消息为
媒介 311
10.1 Mach概述 311
10.1.1 Mach设计原则 312
10.1.2 Mach设计目标 313
10.2 Mach消息 313
10.2.1 简单消息 313
10.2.2 复杂消息 314
10.2.3 发送消息 315
10.2.4 端口 316
10.2.5 Mach接口生成器(MIG) 318
10.3 深入IPC 323
10.4 同步原语 326
10.4.1 锁组对象 326
10.4.2 互斥体对象 327
10.4.3 读写锁对象 328
10.4.4 自旋锁对象 329
10.4.5 信号量对象 329
10.4.6 锁集对象 331
10.5 机器原语 332
10.5.1 主机对象 332
10.5.2 时钟对象 341
10.5.3 处理器对象 343
10.5.4 处理器集对象 346
10.6 本章小结 350
参考文献 350
第11章 刹那之间——Mach调度 351
11.1 调度原语 351
11.1.1 线程 351
11.1.2 任务 356
11.1.3 任务和线程相关的API 360
11.1.4 任务相关的API 361
11.1.5 线程相关的API 365
11.2 调度 369
11.2.1 概述 369
11.2.2 优先级 370
11.2.3 运行队列 373
11.3 Mach调度器的独特特性 376
11.3.1 控制权转交 376
11.3.2 续体 376
11.3.3 抢占模式 378
11.3.4 异步软件陷阱(AST) 383
11.3.5 调度算法 386
11.4 定时器中断 389
11.4.1 中断驱动的调度 389
11.4.2 XNU中的定时器
中断处理 390
11.5 异常 394
11.5.1 Mach异常模型 394
11.5.2 实现细节 395
11.6 本章小结 403
参考文献 403
第12章 Mach虚拟内存 405
12.1 虚拟内存架构 405
12.1.1 虚拟内存全貌 405
12.1.2 虚拟内存概述 406
12.1.3 用户态视角 410
12.2 物理内存管理 419
12.2.1 pmap的API 420
12.2.2 API在Intel架构上的
实现示例 421
12.3 Mach Zone 423
12.3.1 Mach Zone的结构 424
12.3.2 引导期间的zone设置 426
12.3.3 zone垃圾回收 427
12.3.4 zone调试 428
12.4 内核内存分配器 429
12.4.1 kernel_memory_
allocate() 429
12.4.2 kmem_alloc()系列函数 431
12.4.3 kalloc 432
12.4.4 OSMalloc 433
12.5 Mach分页器 434
12.5.1 Mach分页器接口 435
12.5.2 Universal Page List 438
12.5.3 分页器类型 440
12.6 分页策略管理 447
12.6.1 Pageout守护程序 448
12.6.2 处理页错误 450
12.6.3 dynamic_pager(8)
(OS X) 451
12.7 本章小结 452
参考文献 452
第13章 BSD层 453
13.1 BSD简介 453
13.1.1 一统天下 454
13.1.2 POSIX标准中的内容 454
13.1.3 实现BSD 455
13.1.4 XNU不是完整的BSD 455
13.2 进程和线程 455
13.2.1 BSD进程结构 456
13.2.2 进程列表和进程组 458
13.2.3 线程 459
13.2.4 对应到Mach 461
13.3 进程创建 463
13.3.1 用户态的角度 463
13.3.2 内核态的角度 464
13.3.3 加载和执行二进制文件 467
13.3.4 Mach-O二进制文件 472
13.4 进程控制和跟踪 475
13.4.1 ptrace (#26) 475
13.4.2 proc_info (#336) 476
13.4.3 策略 476
13.4.4 进程挂起和恢复 477
13.5 信号 478
13.5.1 UNIX异常处理程序 478
13.5.2 硬件产生的信号 483
13.5.3 软件产生的信号 484
13.5.4 受害者的信号处理 484
13.6 本章小结 485
参考文献 485
第14章 有新有旧:BSD高级功能 487
14.1 内存管理 487
14.1.1 POSIX内存和页面
管理系统调用 487
14.1.2 BSD内部的内存函数 489
14.1.3 内存压力 492
14.1.4 Jetsam(iOS) 493
14.1.5 内核地址空间布局
随机化 495
14.2 工作队列 496
14.3 换个角度看BSD层 499
14.3.1 sysctl 499
14.3.2 kqueue 501
14.3.3 审计(OS X) 503
14.3.4 强制访问控制(MAC) 504
14.4 苹果的策略模块 506
14.5 本章小结 509
参考文献 509
第15章 文件系统和虚拟文件
系统交换 511
15.1 磁盘设备和分区 511
15.2 通用文件系统的概念 522
15.2.1 文件 522
15.2.2 扩展属性 522
15.2.3 权限 522
15.2.4 时间戳 522
15.2.5 快捷方式和连接 523
15.3 苹果生态圈中的文件系统 524
15.3.1 苹果原生的文件系统 524
15.3.2 DOS/Windows文件系统 524
15.3.3 CD/DVD文件系统 525
15.3.4 基于网络的文件系统 526
15.3.5 伪文件系统 528
15.4 挂载文件系统(仅限于OS X) 531
15.4.1 automount 531
15.4.2 磁盘仲裁 531
15.5 磁盘镜像文件 533
15.5.1 原始DMG文件 533
15.5.2 从磁盘镜像引导(Lion) 534
15.6 虚拟文件系统交换 534
15.6.1 文件系统条目 535
15.6.2 挂载条目 535
15.6.3 vnode对象 538
15.7 FUSE——用户空间的
文件系统 541
15.8 进程的文件I/O操作 543
15.9 本章小结 547
参考文献和深入阅读 547
第16章 基于B树的HFS+文件系统 549
16.1 HFS+文件系统概念 549
16.1.1 时间戳 549
16.1.2 访问控制表 550
16.1.3 扩展属性 550
16.1.4 fork 552
16.1.5 压缩 553
16.1.6 Unicode支持 558
16.1.7 Finder集成 558
16.1.8 大小写敏感(HFSX) 559
16.1.9 日志 560
16.1.10 动态大小调节 561
16.1.11 元数据区域 561
16.1.12 热文件 562
16.1.13 动态碎片整理 562
16.2 HFS+的设计概念 564
16.3 组件 570
16.3.1 HFS+宗卷头 571
16.3.2 编录文件 572
16.3.3 extent溢出文件 579
16.3.4 属性B树 579
16.3.5 热文件B树 580
16.3.6 分配文件 581
16.3.7 HFS日志 581
16.4 VFS和内核的整合 584
16.4.1 fsctl(2)的整合 584
16.4.2 sysctl(2)的整合 585
16.4.3 文件系统状态通知 585
16.5 本章小结 586
参考文献 586
第17章 遵守协议:网络协议栈 587
17.1 用户态接口回顾 588
17.1.1 UNIX Domain套接字 589
17.1.2 IPv4网络协议 589
17.1.3 路由套接字 590
17.1.4 网络驱动程序套接字 590
17.1.5 IPSec Key Management
套接字 592
17.1.6 IPv6网络协议 592
17.1.7 系统套接字 593
17.2 套接字和协议统计信息 595
17.3 第5层:套接字 597
17.3.1 套接字描述符 597
17.3.2 mbuf 598
17.3.3 内核态中的套接字 603
17.4 第4层:传输层协议 604
17.4.1 域和protosw 605
17.4.2 初始化域 609
17.5 第3层:网络层协议 610
17.6 第2层:网络接口层 613
17.6.1 OS X和iOS中的
网络接口 613
17.6.2 数据链路接口层 614
17.6.3 ifnet结构体 614
17.6.4 案例研究:utun 616
17.7 整合所有层:网络协议栈 620
17.7.1 接收数据 620
17.7.2 发送数据 623
17.8 数据包过滤 626
17.8.1 套接字过滤器 627
17.8.2 ipfw(8) 628
17.8.3 PF包过滤器(Lion和iOS) 629
17.8.4 IP过滤器 630
17.8.5 接口过滤器 632
17.8.6 伯克利数据包过滤器 633
17.9 流量整形和QoS 637
17.9.1 综合服务模型 637
17.9.2 区分服务模型 637
17.9.3 实现dummynet 638
17.9.4 在用户态控制参数 638
17.10 本章小结 639
参考文献和深入阅读 639
第18章 内核扩展模块 641
18.1 扩展内核的功能 641
18.2 内核扩展(kext) 643
18.2.1 kext结构 645
18.2.2 kext安全需求 647
18.2.3 内核扩展的相关操作 647
18.2.4 kernelcache 647
18.2.5 multi-kext 651
18.2.6 从程序员的视角看kext 651
18.2.7 kext的内核支持 652
18.3 本章小结 661
参考文献 662
第19章 驱动力——I/O Kit驱动
程序框架 663
19.1 I/O Kit简介 664
19.1.1 设备驱动程序的
编程约束 664
19.1.2 I/O Kit是什么 664
19.1.3 I/O Kit不是什么 666
19.2 libkern:I/O Kit的基类 667
19.2.1 OSObject 668
19.2.2 OSMetaClass 668
19.3 I/O Registry 669
19.3.1 IORegistryEntry 671
19.3.2 IOService 671
19.4 用户态的I/O Kit 671
19.4.1 访问I/O Registry 672
19.4.2 获得/设置驱动程序属性 674
19.4.3 即插即用(通知端口) 675
19.4.4 I/O Kit电源管理 676
19.4.5 其他I/O Kit子系统 677
19.4.6 I/O Kit诊断 678
19.5 I/O Kit内核驱动程序 680
19.5.1 驱动程序匹配 680
19.5.2 I/O Kit族 682
19.5.3 I/O Kit驱动程序模型 685
19.5.4 IOWorkLoop 687
19.5.5 中断处理 689
19.5.6 I/O Kit内存管理 691
19.6 整合BSD 693
19.7 本章小结 694
参考文献和深入阅读 695
附录A 了解机器架构 697

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