Linux系统调用

1 系统调用概述

1.1 相关概念回顾

操作系统 ：管理计算机硬件与软件资源的软件，是用户与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 ： 操作系统的核心。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，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。常见的 有Redhat、Fedora、Centos、Ubuntu和 Android等。

1.2 Linux 的运行空间

Linux 的运行空间 = 内核空间 + 用户空间

• 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。

1.3 什么是系统调用

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。

1.4 系统调用的作用

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，降低了开发的复杂性和难度。

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，而不准许肆意跳入内核。有了这样的陷入内核的统一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：不同平台不同硬件。

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2 系统调用实现

软件中断实现系统调用。

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地址，系统调用号对应系统调用在调用表中的偏移量。

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3 执行系统调用方法

三种实现系统调用的方法：

3.1 GLIBC库函数

Glibc 实现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。
• 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。

GLIBC库函数实例：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
        int rc;

        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;
}

3.2 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该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。
	*/

Syscall调用实例：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
        int rc;
        rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", S_IROTH | S_IRGRP | S_IRUSR);

        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("chmod succeess!\n");
        return 0;
}

3.3 GLIBC和Syscall对比

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4 如何高效执行系统调用

频繁使用底层系统调用会影响程序的执行效率！

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” 搞定效率问题：

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参考资料：

1. C/C++从入门到精通-高级程序员之路【奇牛学院】