00. 目錄

文章目錄

• • 00. 目錄
  • 01. 系統(tǒng)調(diào)用概述
  • 02. 系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)
  • 03. 系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)的區(qū)別
  • 04. 附錄

01. 系統(tǒng)調(diào)用概述

系統(tǒng)調(diào)用顧名思義，說的是操作系統(tǒng)提供給用戶程序調(diào)用的一組“特殊”接口。用戶程序可以通過這組“特殊”接口來獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)，比如用戶可以通過文件系統(tǒng)相關(guān)的調(diào)用請求系統(tǒng)打開文件、關(guān)閉文件或讀寫文件，可以通過時鐘相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用獲得系統(tǒng)時間或設(shè)置定時器等。

從邏輯上來說，系統(tǒng)調(diào)用可被看成是一個內(nèi)核與用戶空間程序交互的接口——它好比一個中間人，把用戶進程的請求傳達給內(nèi)核，待內(nèi)核把請求處理完畢后再將處理結(jié)果送回給用戶空間。

系統(tǒng)服務(wù)之所以需要通過系統(tǒng)調(diào)用來提供給用戶空間的根本原因是為了對系統(tǒng)進行“保護”，因為我們知道 Linux 的運行空間分為內(nèi)核空間與用戶空間，它們各自運行在不同的級別中，邏輯上相互隔離。所以用戶進程在通常情況下不允許訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法使用內(nèi)核函數(shù)，它們只能在用戶空間操作用戶數(shù)據(jù)，調(diào)用用戶空間函數(shù)。比如我們熟悉的“hello world”程序（執(zhí)行時）就是標(biāo)準(zhǔn)的用戶空間進程，它使用的打印函數(shù) printf 就屬于用戶空間函數(shù)，打印的字符“hello word”字符串也屬于用戶空間數(shù)據(jù)。

但是很多情況下，用戶進程需要獲得系統(tǒng)服務(wù)（調(diào)用系統(tǒng)程序），這時就必須利用系統(tǒng)提供給用戶的“特殊接口”——系統(tǒng)調(diào)用了，它的特殊性主要在于規(guī)定了用戶進程進入內(nèi)核的具體位置；換句話說，用戶訪問內(nèi)核的路徑是事先規(guī)定好的，只能從規(guī)定位置進入內(nèi)核，而不準(zhǔn)許肆意跳入內(nèi)核。有了這樣的陷入內(nèi)核的統(tǒng)一訪問路徑限制才能保證內(nèi)核安全無誤。我們可以形象地描述這種機制：作為一個游客，你可以買票要求進入野生動物園，但你必須老老實實地坐在觀光車上，按照規(guī)定的路線觀光游覽。當(dāng)然，不準(zhǔn)下車，因為那樣太危險，不是讓你丟掉小命，就是讓你嚇壞了野生動物。

02. 系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)

系統(tǒng)調(diào)用是屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分的，必須以某種方式提供給進程讓它們?nèi)フ{(diào)用。CPU 可以在不同的特權(quán)級別下運行，而相應(yīng)的操作系統(tǒng)也有不同的運行級別，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。運行在內(nèi)核態(tài)的進程可以毫無限制的訪問各種資源，而在用戶態(tài)下的用戶進程的各種操作都有著限制，比如不能隨意的訪問內(nèi)存、不能開閉中斷以及切換運行的特權(quán)級別。顯然，屬于內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用一定是運行在內(nèi)核態(tài)下，但是如何切換到內(nèi)核態(tài)呢？

答案是軟件中斷。軟件中斷和我們常說的中斷（硬件中斷）不同之處在于，它是通過軟件指令觸發(fā)而并非外設(shè)引發(fā)的中斷，也就是說，又是編程人員開發(fā)出的一種異常（該異常為正常的異常）。操作系統(tǒng)一般是通過軟件中斷從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。

中斷有兩個重要的屬性，中斷號和中斷處理程序。中斷號用來標(biāo)識不同的中斷，不同的中斷具有不同的中斷處理程序。在操作系統(tǒng)內(nèi)核中維護著一個中斷向量表（Interrupt Vector Table），這個數(shù)組存儲了所有中斷處理程序的地址，而中斷號就是相應(yīng)中斷在中斷向量表中的偏移量。更多詳細(xì)說明請看《系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)原理》。

03. 系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)的區(qū)別

Linux 下對文件操作有兩種方式：系統(tǒng)調(diào)用（system call）和庫函數(shù)調(diào)用（Library functions）。

庫函數(shù)由兩類函數(shù)組成:

1) 不需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用

不需要切換到內(nèi)核空間即可完成函數(shù)全部功能，并且將結(jié)果反饋給應(yīng)用程序，如strcpy、bzero 等字符串操作函數(shù)。

2）需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用

需要切換到內(nèi)核空間，這類函數(shù)通過封裝系統(tǒng)調(diào)用去實現(xiàn)相應(yīng)功能，如 printf、fread等。

系統(tǒng)調(diào)用是需要時間的，程序中頻繁的使用系統(tǒng)調(diào)用會降低程序的運行效率。當(dāng)運行內(nèi)核代碼時，CPU工作在內(nèi)核態(tài)，在系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生前需要保存用戶態(tài)的棧和內(nèi)存環(huán)境，然后轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)工作。系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，又要切換回用戶態(tài)。這種環(huán)境的切換會消耗掉許多時間。

庫函數(shù)訪問文件的時候根據(jù)需要，設(shè)置不同類型的緩沖區(qū)，從而減少了直接調(diào)用 IO 系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，提高了訪問效率。緩沖區(qū)詳情請看《淺談標(biāo)準(zhǔn)I/O緩沖區(qū)》。

這個過程類似于快遞員給某個區(qū)域（內(nèi)核空間）送快遞一樣，快遞員有兩種方式送：

來一件快遞就馬上送到目的地，來一件送一件，這樣導(dǎo)致來回走比較頻繁（系統(tǒng)調(diào)用）

等快遞攢著差不多后（緩沖區(qū)），才一次性送到目的地（庫函數(shù)調(diào)用）

04. 附錄

參考:【Linux】一步一步學(xué)Linux系統(tǒng)編程教程匯總

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux系统编程】Linux系统调用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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