Linux系统调用

前言

• 操作系统——管理计算机硬件与软件资源的软件，是用户和系统交互的操作接口，为它上面运行的程序提供服务。
• 操作系统内核——操作系统的内核，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统。一个内核不是一套完整的操作系统。例如Linux。
• Linux操作系统——基于Linux内核的操作系统。通常由Linux内核、shell(特殊的应用程序，提供运行其他程序的接口)、文件系统和应用程序组成。常见的有:Redhat、Fedora、Centos、Ubuntu和Android等。

Linux的运行空间:

Linux的运行空间:内核空间+用户空间

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内核空间——存放的是整个内核代码和所有内核模块，以及内核所维护的数据。

用户空间——用户程序的代码和数据。

什么是系统调用？

操作系统提供给用户程序 调用系统服务(硬件设备)的一组"特殊"接口。

系统调用可被看成是一个内核与用户空间程序交互的接口——它好比一个信使，把用户进程的请求 传达给内核，待内核把请求处理完毕后 再将处理结果送回给用户空间。

为什么要设置系统调用？

• 把用户从底层的硬件编程中解放出来

与具体的硬件完全隔离，用户不需要面向具体的硬件编码，降低了开发的复杂度和难度。

• 极大的提高了系统的安全性

将用户进程隔离，实现内核"保护"，用户进程不允许访问内核数据，也无法使用内核函数。用户访问内核的路径是事先规定好的，只能从规定位置进入内核，而不允许肆意跳入内核。有了这样的内核访问路径限制，才能保证内核安全无误。

• 使用户程序具有可移植性

对于不同平台不同硬件来说。

系统调用的实现

通过软件中断实现。

软件中断:它是通过软件指令触发的中断。Linux系统内核响应软件中断，从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用。

系统调用控制程序执行软件中断的过程如下:

1. 在进程的内核态堆栈中保存大多数寄存器的内容(即保存恢复进程到用户态执行所需要的上下文)。
2. 根据用户态传递的系统调用号，确定系统调用的执行程序。
3. 调用相应的执行程序来处理系统调用。
4. 从系统调用返回。

系统调用号:

每个系统调用被赋予一个系统调用号， 与具体的系统调用相关联。

系统调用表:

内核维护系统调用表， 保存系统调用函数的起始位置，系统调用号对应该系统调用在调用表中的 偏移量。

执行系统调用的方法

还有系统中断。

GLIBC库函数

Glibc实现操作系统提供的系统服务，即为系统调用的封装。

• 每个特定的系统调用对应了至少一个glibc封装的库函数。
• 多个API也可能只对应同一个系统调用。
• 返回值-1在多数情况下表示内核不能满足进程的请求。
• Libc中定义的errno变量包含特定的出错码。

示例:更改文件权限

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

int main(void) {

    int rc = chmod("./test.txt",S_IWUSR | S_IWGRP | S_IWOTH);
    if (rc == -1) {
        fprintf(stderr,"chmod failed,errno=%d\n",errno);
    } else {
        printf("chmod success!\n"); 
    }
    return 0;
}

Syscall直接调用

函数原型:

long int syscall(long int sysno,...);

传参说明:

• sysno是系统调用号，唯一标识系统调用号，详见sys/syscall.h
• ...为剩余可变长的参数，为系统调用所带的参数，根据系统调用的不同，可带0~5个不等的参数，如果超过特定系统调用能带的参数，多余的参数被忽略。
• 返回值:该函数返回值为特定系统调用的返回值，在系统调用成功之后你可以将返回值转化为特定的类型，如果系统调用失败则返回-1,错误代码存放在errno中。

示例:更改文件权限

#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>

int main(void) {

    int rc = syscall(SYS_chmod, "./test.txt", S_IROTH | S_IRGRP | S_IRUSR);
    if (rc == -1) {
        fprintf(stderr,"chmod failed,errno=%d\n",errno);
    } else {
        printf("chmod success!\n"); 
    }
    return 0;
}

对比

如何高效执行系统调用

系统调用的次数会影响程序的执行效率。

示例:调用write往文件里写数据，更改每次写的大小进行对比。

#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

//宏是直接替换，注意括号
#define TOTAL_SIZE (1024*1024*500) 
#define BUF_SIZE 4096

int main(int argc,char**argv) {
    char buffer[BUF_SIZE];
    const char* filename = "./write.txt";
    int fd = -1;
    int i = 0;
    memset(buffer, '8', BUF_SIZE);
    fd = open(filename, O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr,"fopen failed,reason:%s.\n exit\n",strerror(errno));
        return -1;
    }
    int num = TOTAL_SIZE / BUF_SIZE;
    for (i = 0; i < num; i++) {
        if (write(fd, buffer, BUF_SIZE) < 0) {
            fprintf(stderr,"write failed!reason:%s.\n",strerror(errno));
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

将 BUF_SIZE 更改为 16后，每次写的量减少了，增加了系统调用的次数。

两次时间对比:1-4096,2-16。

罪魁祸首-用户态和内核态的切换

• 保存用户进程现场
• 合法性检查(如内存)
• 参数传递
• 恢复现场

一多一少解决效率问题: