linux系統調用第一篇

系統調用

系統調用，顧名思義，說的是操作系統提供給用戶程式調用的一組“特殊”介面。用戶程式可以通過這組“特殊”介面來獲得操作系統內核提供的服務，比如用戶可以通過文件系統相關的調用請求系統打開文件、關閉文件或讀寫文件，可以通過時鐘相關的系統調用獲得系統時間或設置定時器等。

從邏輯上來說，系統調用可被看成是一個內核與用戶空間程式交互的介面——它好比一個中間人，把用戶進程的請求傳達給內核，待內核把請求處理完畢後再將處理結果送回給用戶空間。

系統服務之所以需要通過系統調用來提供給用戶空間的根本原因是為了對系統進行“保護”，因為我們知道 Linux 的運行空間分為內核空間與用戶空間，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核數據，也無法使用內核函數，它們只能在用戶空間操作用戶數據，調用用戶空間函數。

實現

系統調用是屬於操作系統內核的一部分的，必須以某種方式提供給進程讓它們去調用。CPU 可以在不同的特權級別下運行，而相應的操作系統也有不同的運行級別，用戶態和內核態。運行在內核態的進程可以毫無限制的訪問各種資源，而在用戶態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記憶體、不能開閉中斷以及切換運行的特權級別。顯然，屬於內核的系統調用一定是運行在內核態下，但是如何切換到內核態呢？

答案是軟體中斷。軟體中斷和我們常說的中斷（硬體中斷）不同之處在於，它是通過軟體指令觸發而並非外設引發的中斷，也就是說，又是編程人員開發出的一種異常（該異常為正常的異常）。操作系統一般是通過軟體中斷從用戶態切換到內核態。

系統調用（system call）和庫函數（library function）是編程中常用的兩種調用方式，它們之間有以下幾點區別：

1. 觸發方式：
   • 系統調用是由用戶程式通過特殊的指令（例如軟中斷指令或者特定的處理器指令）觸發的，以請求操作系統提供服務或執行特定操作。
   • 庫函數是由用戶程式直接調用的函數，這些函數通常封裝在庫文件中，用戶程式通過鏈接庫文件來調用這些函數。
2. 特權級別：
   • 系統調用執行時會導致用戶態和內核態之間的切換，因為系統調用需要訪問操作系統的內核空間，具有較高的許可權級別。
   • 庫函數的執行在用戶態完成，不需要切換到內核態，因此無需特殊的許可權。
3. 功能：
   • 系統調用通常提供了與操作系統相關的底層功能，例如文件操作、進程管理、網路通信等。
   • 庫函數提供了各種常用的功能，例如字元串處理、數學運算、記憶體管理等。
4. 性能開銷：
   • 由於系統調用涉及用戶態和內核態之間的切換，因此通常會伴隨著較大的性能開銷。
   • 庫函數的調用通常只涉及用戶態，因此性能開銷較小。
5. 跨平臺性：
   • 系統調用的介面是由操作系統定義的，因此在不同的操作系統上可能存在差異，需要編寫特定平臺的代碼。
   • 庫函數通常是標準化的介面，在不同的編程語言和平臺上都可以使用，具有較好的跨平臺性。

C庫IO函數工作流程

後續提供具體代碼

虛擬地址空間

每個進程都會分配虛擬地址空間，在32位機器上，該地址空間為4G：

代碼里體現的都是用戶區的數據段。

在進程里平時所說的指針變數，保存的就是虛擬地址。當應用程式使用虛擬地址訪問記憶體時，處理器（CPU）會將其轉化成物理地址。

這樣做的好處在於：

• 進程隔離，更好的保護系統安全運行

• 屏蔽物理差異帶來的麻煩，方便操作系統和編譯器安排進程地址

具體對於虛擬地址空間的理解我看的這一篇

本文來自博客園，作者：ivanlee717，轉載請註明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/ivanlee717/p/18135814