Linux中的主要系统调用

简介: 【9月更文挑战第11天】在Linux操作系统中,通过系统调用`fork`创建新进程,子进程继承父进程的数据结构与代码,但可通过`execve`执行不同程序。`fork`返回值区分父子进程,`waitpid`让父进程等待子进程结束。

Linux 操作系统中就是创建进程。创建进程的系统调用叫fork。在 Linux 里,要创建一个新的进程,需要一个老的进程调用 fork 来实现,其中老的进程叫作父进程(Parent Process),新的进程叫作子进程(Child Process)。

当父进程调用 fork 创建进程的时候,子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份,甚至连程序代码也是拷贝过来的。按理说,如果不进行特殊的处理,父进程和子进程都按相同的程序代码进行下去,这样就没有意义了。

对于 fork 系统调用的返回值,如果当前进程是子进程,就返回 0;如果当前进程是父进程,就返回子进程的进程号。这样首先在返回值这里就有了一个区分,然后通过 if-else 语句判断,如果是父进程,还接着做原来应该做的事情;如果是子进程,需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序,这个时候,子进程和父进程就彻底分道扬镳了,也就产生了一个分支(fork)了。

image.png

有个系统调用waitpid,父进程可以调用它,将子进程的进程号作为参数传给它,这样父进程就知道子进程运行完了没有,成功与否。

在操作系统中,每个进程都有自己的内存,互相之间不干扰,有独立的进程内存空间。

对于进程的内存空间来讲,放程序代码的这部分,我们称为代码段(Code Segment)。

对于进程的内存空间来讲,放进程运行中产生数据的这部分,我们称为数据段(Data Segment)。其中局部变量的部分,在当前函数执行的时候起作用,当进入另一个函数时,这个变量就释放了;也有动态分配的,会较长时间保存,指明才销毁的,这部分称为堆(Heap)。

进程自己不用的部分就不用管,只有进程要去使用部分内存的时候,才会使用内存管理的系统调用来登记,说自己马上就要用了,希望分配一部分内存给它,但是这还不代表真的就对应到了物理内存。只有真的写入数据的时候,发现没有对应物理内存,才会触发一个中断,现分配物理内存。

当分配的内存数量比较小的时候,使用 brk,会和原来的堆的数据连在一起,这就像多分配两三个工位,在原来的区域旁边搬两把椅子就行了。当分配的内存数量比较大的时候,使用 mmap,会重新划分一块区域,也就是说,当办公空间需要太多的时候,索性来个一整块。

对于文件的操作,下面这六个系统调用是最重要的:

  • 对于已经有的文件,可以使用open打开这个文件,close关闭这个文件;
  • 对于没有的文件,可以使用creat创建文件;
  • 打开文件以后,可以使用lseek跳到文件的某个位置;
  • 可以对文件的内容进行读写,读的系统调用是read,写是write。

Linux 里有一个特点,那就是一切皆文件。

  • 启动一个进程,需要一个程序文件,这是一个二进制文件。
  • 启动的时候,要加载一些配置文件,例如 yml、properties 等,这是文本文件;启动之后会打印一些日志,如果写到硬盘上,也是文本文件。
  • 但是如果我想把日志打印到交互控制台上,在命令行上唰唰地打印出来,这其实也是一个文件,是标准输出 stdout 文件。
  • 这个进程的输出可以作为另一个进程的输入,这种方式称为管道,管道也是一个文件。
  • 进程可以通过网络和其他进程进行通信,建立的 Socket,也是一个文件。
  • 进程需要访问外部设备,设备也是一个文件。
  • 文件都被存储在文件夹里面,其实文件夹也是一个文件。
  • 进程运行起来,要想看到进程运行的情况,会在 /proc 下面有对应的进程号,还是一系列文件。

每个文件,Linux 都会分配一个文件描述符(File Descriptor),这是一个整数。有了这个文件描述符,我们就可以使用系统调用,查看或者干预进程运行的方方面面。

对于一些不严重的信号,可以忽略,该干啥干啥,但是像 SIGKILL(用于终止一个进程的信号)和 SIGSTOP(用于中止一个进程的信号)是不能忽略的,可以执行对于该信号的默认动作。每种信号都定义了默认的动作,例如硬件故障,默认终止;也可以提供信号处理函数,可以通过sigaction系统调用,注册一个信号处理函数。

Glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库,它是 GNU 发布的 libc 库。Glibc 为程序员提供丰富的 API,除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外,最重要的是封装了操作系统提供的系统服务,即系统调用的封装。

每个特定的系统调用对应了至少一个 Glibc 封装的库函数,比如说,系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 Glibc 中的 open 函数。

有时候,Glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用,比如说,Glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用。

也有时候,多个 API 也可能只对应同一个系统调用,如 Glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存,都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。

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