摘要:系统调用的目的是:请求系统服务。操作系统不允许用户直接操作各种硬件资源,因此用户程序只能通过系统调用的方式来请求内核为其服务,间接地使用各种资源。由操作系统提供的功能
系统调用的目的是:请求系统服务。操作系统不允许用户直接操作各种硬件资源,因此用户程序只能通过系统调用的方式来请求内核为其服务,间接地使用各种资源。
由操作系统提供的功能,通常应用程序本身是无法实现的。例如对文件进行操作,应用程序必需通过系统调用才能做到,因为只有操作系统才具有直接管理外围设备的权限。又如进程或线程间的同步互斥操作,也必需经由操作系统对内核变量进行维护才能完成。
从下到上看一个完整的计算机系统:物理硬件->OS内核->OS服务->应用程序。这里的OS内核起到了“承上启下”的关键作用,向下管理物理硬件,向上为操作系统服务和应用程序提供接口,这里的接口就是系统调用了。
应用程序的进程通常在user模式下运行,当它调用一个系统调用时,进程进入kernel模式,执行的是kernel内部的代码,从而具有执行特权指令的权限,完成特定的功能。换句话说,系统调用是应用程序主动进入操作系统内核的入口。
一、系统调用和库函数的区别库函数顾名思义是把函数放到库里,是把一些常用到的函数编完放到一个文件里,供别人用。别人用的时候把所在的文件名用#include<>加到里面就可以了,一般放到lib文件里。
库函数主要由两方面提供:一是操作系统提供的;另一类是由第三方提供的。
系统提供的这些函数把系统调用进行封装或者组合,可以实现更多的功能,这样的库函数能够实现一些对于内核来说比较复杂的操作。比如read函数根据参数,直接就能读文件,而背后隐藏的文件比如在那个磁道,那个扇区,加载到那个内存,是程序员不必关心的问题。这些操作里面也包含了系统调用。比如write()这个系统函数,会调用同名的系统调用,来完成写入操作。
对于第三方库,其实和系统库一样,只是他直接利用系统调用的可能性要小一些,而是系统提供的API接口来是实现。比如printf,实际上调用了write()这个系统函数。 第三方库函数大部分是对系统函数的封装。
系统调用和库函数的联系:
事实上,系统调用所提供给用户的是直接而纯碎的高级服务,如果想要更加人性化,具有更符合特定情况的功能,那么就要我们用户自己定义,因此衍生了库函数,它把部分系统调用包装起来。比如当我们要用C语言打印一句话的时候,如果没有用到库函数printf,那么我们就需要自己实现就需要调用putc()和write()等这样一些系统函数。显得比较麻烦,所以系统调用是为了方便使用操作系统的接口,而库函数则是为了人们编程的方便。
例如,在Linux操作系统下,C语言的库函数printf,实际上使用了write系统调用;而库函数strcpy(字符串拷贝)却没有使用任何系统调用。另外,一个系统的系统调用接口通常是能够完成所有必需功能的最小集合,可能存在多个库函数对同一个系统调用进行封装。例如,在Linux中,malloc、calloc和free三个库函数底层都是调用brk系统调用完成的。
应用程序、库函数和系统调用的关系如下图所示:
系统调用和库函数的区别:
库函数的调用是语言或者应用程序的一部分,而系统调用则是操作系统的一部分。
系统调用是应用程序与内核交互的接口。人们在长期的编程中发现使用系统函数有个重大的缺点,那就是程序的移植性。例如linux提供的系统调用的函数和windows就不一样。
库函数调用则是面向应用开发的,相当于应用程序的api,采用这样的方式有很多原因:
双缓冲技术;(库函数和系统调用两层缓冲,减少系统调用次数)移植性(封装了不同操作系统的系统函数,对外接口一致)底层调用本身存在的一些缺陷;让api也可以有了级别和专门的工作面向;二、CPU的内核模式和用户模式
通常,处理器设有两种模式:“用户模式”与“内核模式”,通过一个标签位来鉴别当前正处于什么模式。内核模式可以运行所有指令,包括特权指令(主要是一些硬件管理的指令,例如修改基址寄存器内容的指令) ,而用户模式不能执行特权指令。这样的设计主要为了安全问题,即由操作系统负责管理硬件,避免上层应用因错误设计而导致硬件问题。
既然只有操作系统能直接操作硬件,操作系统有必要提供接口来为应用程序提供使用硬件功能的入口,这些接口就被称为系统调用。
当操作系统接收到系统调用请求后,会让处理器进入内核模式,从而执行诸如I/O操作,修改基址寄存器内容等指令,而当处理完系统调用内容后,操作系统会让处理器返回用户模式,来执行用户代码。
对应CPU的内核模式和用户模式,进程运行的状态分为管态(核心态)和目态(用户态)。具体请看文章:操作系统--用户态和核心态
四、系统调用和中断的联系中断(Interrupt)通常是指在CPU内部或外部发生了某个待处理的事件,从而CPU必需改变当前指令的执行顺序去处理这类事件。在介绍中断和系统调用的关系之前,下面先把中断做一个分类。
中断可以大体分为两大类:
Asynchronous interrupts(外中断): 由CPU外部的其它硬件产生,说这类中断是异步的,意思是中断信号可以在任意时间发射,与CPU本身的时钟节拍没有关系。如时钟中断,硬盘读写服务请求中断等。
Synchronous interrupts(内中断/异常):在CPU内部产生,说这类中断是同步的,意思是中断信号的发射时间一定在当前指令执行结束之后。一般来自CPU的内部事件或程序执行中的事件,如非法操作码、地址越界、浮点溢出等。
Synchronous interrupts (异常)又分为以下若干类:
Processor-detected exceptions:处理器在执行指令时检测到的中断,如除零操作。
Faults:发生了某个异常条件,但异常条件被消除后,原来的程序流程可以继续执行而不受任何影响,如缺页异常。注意触发中断的指令会被重新执行。
Traps:由陷入指令引起的中断,通常用于程序调试。
Aborts:CPU内部有重要错误发生,例如硬件错误或系统表值出现错误。一旦这种中断发生,错误将不可恢复,只能将当前进程终止。
Programmed exceptions:也称为 software interrupts (软中断) ,由程序员的代码主动发起的中断,用来实现系统调用。如在Linux中,就是用int 0x80
指令实现系统调用。
至此,我们发现了中断与系统调用的关系:系统调用是一种特殊的中断类型(软中断)。
五、内核对于系统调用的处理
在x86的机器中,用一个8bit的数字(0~255)来区分各种中断,这个数字被称为中断向量(vector)。其中一个中断向量,即128 (0x80),专门被用于执行系统调用。
在Linux系统中,存有一个系统表,叫做Interrupt DescriptorTable,简称IDT。IDT表共有256项,存放了从中断向量到相应处理例程(interrupt or exceptionhandler)的映射关系。当某个中断发生时,CPU从IDT表中查找到相应的处理例程的地址来执行。
系统调用的处理例程在IDT表中占有一项。这一项是在trap_init函数中被初始化的,如下:set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);
。如前所述,上面代码中的SYSCALL_VECTOR的值是128。
当系统调用发生时,通过中断机制,系统调用例程system_call被调用。它的执行过程大概分为4个步骤:
1、从寄存器中取出系统调用号和输入参数,然后将这些寄存器的值压入kernel栈中。根据系统调用号查找系统调用分派表(system call dispatch table),找到系统调用服务例程(一个内核函数)。
2、调用查到的系统调用服务例程。
3、将系统调用服务例程的返回值出栈,重新保存在寄存器中。
上面描述的系统调用例程system_call在kernel空间中执行。在执行前,系统调用号和输入参数已经存入了寄存器,这个存入过程由user空间的代码完成。实际上,如同第一节所讲,每个真正的系统调用基本上都有一个封装它的库函数,一般是在这个库函数中完成系统调用号和输入参数的保存动作。当系统调用例程system_call执行完毕后,返回值通过寄存器再传回user空间的库函数。
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