系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数

快来打我* 2022-08-05 11:13 355阅读 0赞

摘要：《Linux内核修炼之道》第5章讲解系统调用，它是应用程序和内核间的桥梁，学习并理解它是我们走向内核的一个很好的过渡。本节为大家介绍系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数。

5.1.1  系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数

（1）系统调用和POSIX。

系统调用虽然是内核和用户应用程序之间的沟通桥梁，是用户应用程序访问内核的入口点，但通常情况下，**应用程序是通过操作系统提供的应用编程接口（API）而不是直接通过系统调用来编程。**

操作系统API的主要作用是把操作系统的功能完全展示出来，提供给应用程序，基于该操作系统，与文件、内存、时钟、网络、图形、各种外设等互操作的能力。此外，操作系统API通常还提供许多工具类的功能，比如操纵字符串、各种数据类型、时间日期等。

**在UNIX世界里，最通用的操作系统API基于POSIX**（Portable Operating System Interface of UNIX，可移植操作系统接口）标准。POSIX的诞生和UNIX的发展密不可分，UNIX于20世纪70年代诞生于Bell lab，并于20世纪80年代向美各大高校分发V7版的源码以做研究。**UC Berkeley在V7的基础上开发了BSD UNIX。**

后来很多商业厂家意识到UNIX的价值也纷纷以Bell Lab的System V或BSD为基础来开发自己的UNIX，较著名的有Sun OS、AIX、VMS等。虽然这带来了UNIX的繁荣，但由于各厂家对UNIX的开发各自为政，UNIX的版本相当混乱，给软件的可移植性带来很大困难， 对UNIX的发展极为不利。

为结束这种局面，IEEE制订了POSIX标准，目标是提供一套大体上基于UNIX的可移植 操作系统标准，提高UNIX环境下应用程序的可移植性。然而，POSIX并不局限于UNIX。许多其他的操作系统，例如DEC OpenVMS和Microsoft Windows NT，都支持POSIX标准。

POSIX标准定义了"POSIX兼容"的操作系统所必须提供的服务。Linux兼容于 POSIX标准，提供了根据POSIX而定义的API函数。这些API函数和系统调用之间有着直接的关系，一个API函数可以由一个系统调用实现，也可以 通过调用多个系统调用来实现，还可以完全不使用任何系统调用。

（2）系统调用和C库。

操作系统API通常都以C库的方式提供，Linux也是如此。C库提供了POSIX的绝大部分API，同时，内核提供的每个系统调用在C库中都具有相应的封装函数。系统调用与其C库封装函数的名称常常相同，比如，read系统调用在C库中的封装函数即为read函数。

C库中的系统调用封装函数在最终调用到相应系统调用之前，往往不做多少额外的工作。不过，某些情况下会有些例外，比如对于两个相关的系统调用truncate和truncate64，C库中的封装函数truncate函数即需要决定它们中的哪个应该最终被调用。

当然，如图5.1所示，系统调用和C库函数之间并不是一一对应的关系。可能几个不同的函数会 调用到同一个系统调用，比如malloc函数和free函数都是通过brk系统调用来扩大或缩小进程的堆栈，execl、execlp、execle、 execv、execvp和execve函数都是通过execve系统调用来执行一个可执行文件。

也有可能一个函数调用多个系统调用。更有些函数并不依赖于任何系统调用，比如strcpy函数（复制字符串）和atoi函数（转换ASCII为整数），因为它们并不需要向内核请求任何服务。

<table style="border:1px solid silver; border-collapse:collapse; word-break:break-word; color:rgb(0,0,0); font-family:Verdana,Arial,Helvetica,sans-serif; font-size:14px; line-height:25px"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:14px; border:1px solid silver; border-collapse:collapse; padding:3px"> <a href="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20100723/1232170.jpg" style="color:rgb(29,88,209); text-decoration:none" rel="nofollow"><img title="转:系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数 - wintelx264 - wintelx264的博客" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20100723/1232170.jpg" alt="" height="240" width="393" style="border:0px"></a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:14px; border:1px solid silver; border-collapse:collapse; padding:3px"> 图5.1&nbsp; C库函数与系统调用</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

实际上，从用户的角度看，系统调用和C库之间的区别并不重要，他们只需通过C库函数完成所需功能。相反，从内核的角度看，需要考虑的则是提供哪些针对确定目的的系统调用，并不需要关注它们如何被使用。

（3）系统调用与系统命令。

系统命令位于C库的更上层，是利用C库实现的可执行程序，比如最为常用的ls、cd等命令。

strace工具可以跟踪命令的执行，使用希望跟踪的命令为参数，并显示出该命令执行过程中所使用到的所有系统调用。比如，如果希望了解在执行pwd命令时都调用了哪些系统调用，可以使用下面的命令：

$strace pwd

结果会产生大量的信息，显示出pwd命令执行过程中所调用到的各个系统调用：

……  
    write(1, "/usr/src/linux-2.6.23\n", 22/usr/src/linux-2.6.23) = 22  
    close(1)                                = 0  
    munmap(0xb7f5a000, 4096)                = 0  
    exit_group(0)

（4）系统调用和内核函数。

内核函数与C库函数的区别仅仅是内核函数在内核实现，因此必须遵守内核编程的规则。

系统调用最终必须具有明确的操作。用户应用程序通过系统调用进入内核后，会执行各个系统调用对应的内核函数，即系统调用服务例程，比如系统调用getpid的服务例程是内核函数sys\_getpid。

系统调用服务例程之外，内核中存在着大量的内核函数。有些局限于某个内核文件自己使用，有些则是export出来供内核其他部分共同使用。对于export出来的内核函数，可以使用ksyms命令或通过/proc/ksyms文件查看。