系统调用和库函数ZZ

系统调用和库函数 

《UNIX 环境高级编程》一书中如此说：
所有操作系统都提供多种服务的入口点，由此程序向系统内核请求服务。各种版本的Unix都
提供经良好定义的有限数目的入口点，经过这些入口点进入系统内核，这些入口点被称之为
系统调用(system call)，系统调用是我们不能更改的一种Unix特征。Unix版本7提供了约
50个系统调用，4 3+BSD提供了约110个，而SVR4则提供了约120个。 

系统调用界面总是在Unix程序员手册的第二部分中说明。其定义也包括在C语言中。这与很
多较早期的操作系统是不同的，这些系统按传统都在机器的汇编语言中定义系统核入口点。

Unix所使用的技术是为每条系统调用在标准C库中设置一个具有同样名字的函数。用户进程
用标准C调用序列来调用这些函数，然后，函数用系统所要求的技术调用相应的系统核服务
。例如函数可将一个或几个C参数送入通用寄存器，然后执行某个产生软中断进入系统核的
机器指令。从应用角度考虑，我们可将系统调用视作为C函数。 

Unix程序员手册的第三部分定义了程序员可以使用的通用函数。虽然这些函数可能会调用
一个或几个系统核的系统调用，但是它们并不是系统核的入口点。例如，printf函数会调
用write系统调用以进行输出操作，但函数strcpy(复制一字符串)和atoi(变换ASCII为整数
)并不使用任何系统调用。 

从实施者的角度，系统调用和库函数之间有重大区别，但从用户角度其区别并不非常重要。
从本书的目的出发，系统调用和库函数在本书中都以正常的C函数的形式出现。两者都对应
用程序提供服务，但是，我们应当理解，如果希望的话，我们可以代换库函数，但是通常
我们却不能代换系统服务。 

以存储器分配函数malloc为例。有多种方法可以进行存储器分配及与其相关的无用区收集
操作(最佳适应，首次适应等)，并不存在对所有程序都最佳的一种技术。Unix系统调用中
处理存储器分配的是sbrk(2)，它不是一个通用的存储器管理器。它增加或减少指定字节数
的进程地址空间。如何管理该地址空间却取决于进程。存储器分配函数malloc(3)实现一
种特定类型的分配。如果我们不喜欢其操作方式，则我们可以定义自己的malloc函数，极
其可能，它还是要调用sbrk系统调用。事实上，有很多软件包，它们实现自己的存储器分
配算法，但仍使用sbrk系统调用。图1.1显示了应用程序、malloc函数以及sbrk系统调用之
间的关系。

图1.2〓malloc函数和sbrk系统调用 

从中可见，两者职责不同，相互分开，要核中的系统调用分配另外一块空间给进程，而库
函数malloc则管理这种空间。 

另一个可说明系统调用和库函数之间的差别的例子是，Unix提供决定当前时间和日期的界
面。某些操作系统提供一个系统调用以返回时间，而另一个则返回日期。任何特殊的处理
，例如正常时制和日光节约时制之间的转换，由系统核处理或要求人的干予。Unix则不同
，它只提供一条系统调用，该系统调用返回国际标准时公元一九七?年一月一日午夜来所以
经过的秒数。对该值的任何解释，例如将其变换成人们可读的，使用本地时区的时间和日
期，都留给用户进程运行。在标准C库中，提供了若干例程以处理大多数情况。这些库函数
处理各种细节，例如各种日光节约时算法。 

应用程序可以或者调用系统调用，或者库函数，而很多库函数则会调用系统调用。这在图1
.3中显示。

图1.3〓C库函数和系统调用之间的差别 

另一个系统调用和库函数之间的差别是：系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常
提供比较复杂的功能。我们从sbrk系统调用和malloc库函数之间的差别中看到了这一点，
在以后当比较不带缓存的I/O库数(第3章)以及标准I/O标准(在第5章)时，我们还将看到这
种差别。 

进程控制系统调用(fork,exec和wait)通常由用户的应用程序直接调用。(请回忆程序1.5中
的基本shell)但是为了简化某些常见的情况，UNIX系统也提供了一些库函数；例如system
和popen。在8.12节中，我们将说明system函数的一种实现，它使用基本的进程控制系统调
用。在10.18中，我们还将强化这一实例以正确地处理信号。 

为使读者了解大多数程序员应用的Unix系统界面，我们不得不既说明系统调用，又介绍某
些库函数。例如若我们只说明sbrk系统调用，那么就会忽略很多应用程序使用的malloc库函数
。 

在本书中，除了一定要将两者相区分时，我们都将使用术语"函数"来涉及系统调用和库函
数两者。

《The Linux Kernel Module Programming Guide》书中如此描述：

库函数是高层的，完全运行在用户空间， 为程序员提供调用真正的在幕后完成实际事务的系统调用的更方便的接口。系统调用在内核态运行并且由内核自己提供。标准C库函数printf()可以被看做是一个通用的输出语句，但它实际做的是将数据转化为符合格式的字符串并且调用系统调用 write()输出这些字符串。

是否想看一看printf()究竟使用了哪些系统调用? 这很容易，编译下面的代码。

＃i nclude 
int main(void)
{ printf("hello"); return 0; }
		

使用命令gcc -Wall -o hello hello.c编译。用命令 strace hello 跟踪该可执行文件。是否很惊讶？ 每一行都和一个系统调用相对应。 strace是一个非常有用的程序，它可以告诉你程序使用了哪些系统调用和这些系统调用的参数，返回值。 这是一个极有价值的查看程序在干什么的工具。在输出的末尾，你应该看到这样类似的一行 write(1, "hello", 5hello)。这就是我们要找的。藏在面具printf() 的真实面目。既然绝大多数人使用库函数来对文件I/O进行操作(像 fopen, fputs, fclose)。 你可以查看man说明的第二部分使用命令man 2 write 。man说明的第二部分专门介绍系统调用(像kill()和read())。 man说明的第三部分则专门介绍你可能更熟悉的库函数(像cosh()和random())。

你甚至可以编写代码去覆盖系统调用，正如我们不久要做的。骇客常这样做来为系统安装后门或木马。 但你可以用它来完成一些更有益的事，像让内核在每次某人删除文件时输出 “ Tee hee, that tickles!” 的信息。

自己总结：

从程序完成的功能来看，函数库提供的函数通常是不需要操作系统的服务，函数是在用户空间内执行的，除非函数涉及到I/O操作等，一般是不会切到核心态的。系统调用是要求操作系统为用户提供进程，提供某种服务，通常是涉及系统的硬件资源和一些敏感的软件资源等。

     函数库的函数，尤其与输入输出相关的函数，大多必须通过Linux的系统调用来完成。因此我们可以将函数库的函数当成应用程序设计人员与系统调用程序之间 的 一个中间层，通过这个中间层，我们可以用一致的接口来安全的调用系统调用。这样程序员可以只要写一次代码就能够在不同版本的linux系统间使用积压种具 体实现完全不同的系统调用。至于如何实现对不同的系统调用的兼容性问题，那是函数库开发者所关心的问题。

     从程序执行效率来看，系统调用的执行效率大多要比函数高，尤其是处理输入输出的函数。当处理的数据量比较小时，函数库的函数执行效率可能比较好，因为函数 库的作法是将要处理的数据先存入 缓冲区内，等到缓冲区装满了，再将数据一次写入或者读出。这种方式处理小量数据时效率比较高，但是在进行系统调用时，因为用户进程从用户模式进入系统核心 模式，中间涉及了许多额外的任务的切换工作，这些操作称为上下文切换，此类的额外工作会影响系统的执行效率。但是当要处理的数据量比较大时，例如当输入输 出的数据量超过文件系统定义的尽寸时，利用系统调用可获得较高的效率。

     从程序的可移植性的角度来看，相对于系统调用，C语言的标准备函数库（ANSI C） 具备较高的可移植性，在不同的系统环境下，只要做很少的修改，通常情况是不需要修改的。