(王道408考研操作系统)第一章计算机系统概述-第一节5：系统调用

Posted 2021-11-12 快乐江湖

文章目录

• 一：什么是系统调用
• 二：系统调用分类
• 三：系统调用和核心态用户态的关系
• 四：系统调用与库函数的关系
• 五：操作系统的运行环境

前面说过，操作系统接口分为命令接口和程序接口，其中命令接口允许用户直接使用，而程序接口允许用户通过程序间接使用，实际上是由一组系统调用组成

一：什么是系统调用

系统调用：是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可以视为特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都有操作系统统一掌控，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配，I/O传输等）都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。 一个操作系统提供的系统调用命令可以多大上百条（在我们的Linux系统编程中大家就可以感受到种类反复的系统调用接口）

这样可以保证系统的稳定性和安全性，阻止用户进行非法操作。这一点我们在Linux系统编程30：进程信号之产生信号的四种方式（Core Dump,kill,raise）一文中感受到了，kill-9这样的系统调用是无法被捕捉的。

二：系统调用分类

系统调用按照功能可以大致分为如下几类

• 设备管理：完成设备的 请求、释放、启动等功能
• 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除等功能
• 进程控制：完成进程的 “创建、撤销、阻塞、唤醒”等功能
• 进程通信：完成进程之间的消息传递、信号传递等功能
• 内存管理：完成内存的分配、回收等功能

三：系统调用和核心态用户态的关系

系统调用相关功能设计系统资源管理、进程管理等操作，对整个系统的影响相当大，因此吡啶需要使用某些特权指令才能够完成，所以系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，运行在核心态

用户程序执行陷入指令来发起系统调用，请求操作系统提供服务，陷入指令相当于把CPU的使用权交给操作系统的内核程序，此时CPU状态会从用户态进入核心态，之后操作系统内核程序再对系统调用请求作出相应处理，处理完成之后CPU状态会从核心态返回用户态

• 上面这一点大家可以结合Linux系统编程33：进程信号之详解信号的捕捉过程，用户态和内核态及其切换，sigaction和signal这一节讲到过的信号捕捉——信号是什么时候处理，以及什么时候被捕捉的呢？是在从内核态切换到用户态的时候
  

四：系统调用与库函数的关系

请问，如何使用C语言在屏幕上输出一行字呢？你可能会说，这还不简单，直接printf，可是大家想过没有这个printf到底是怎么来的。

从我的角度上讲，我的要求就是要在屏幕上输出字，屏幕就是硬件，所以现在就是用户要操作硬件，很显然如果直接操作显然是不可能的，所以必须要经过操作系统，但是操作系统非常复杂，对于非专业人士来讲，随意操作还可能造成系统毁坏。所以系统一般是封装的，但是它会向外提供一些接口(也就是函数)称为系统调用接口。但是很不幸的事实是要很好的使用系统调用也是需要一定的知识的，所以一些开发者会对部分系统调用进行一定的封装，形成库（lib），有了库就有利于上层开发者更好的开发。

也就是说我现在正在开发，有一个需求是想要在屏幕上输出一行字，由于不便于直接去操作系统，虽然操作系统提供了我一些系统调用接口，但是这些接口依旧很难使用或者很复杂（因为就连屏幕打印个字都这么复杂，更不要说其他操作了），所以有了这个需求，一些开发者为了帮我实现整个功能，把某些系统调用进行封装，封装为一个函数叫做printf，而对于我来说，就可以直接使用这个函数了。

经过以上叙述可以总结系统调用和库函数如下

• 从开发角度上看，操作系统会对外表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，以供上层开发者使用——系统调用
• 系统调用在使用上功能比较繁琐，对用户水平要求也比较高。所以，一些开发者会将部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就便于上层用户使用或者开发者进行二次开发。

五：操作系统的运行环境

首先用户通过操作系统运行上层程序，此上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断进入核心态，运行管理程序；当然也有可能是程序运行出现异常情况，被动地需要管理程序的服务，这时就通过异常处理来进入核心态。管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，此时通过相应的保存的程序现场退出终端处理程序或异常处理程序，返回断点继续执行

传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态） -> 执行系统调用相应服务程序（核心态）->返回用户程序

• 陷入指令是在用户态下执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
• 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理是在核心态下进行
• 陷入指令是唯一一个只能在用户态下执行，而不能在核心态下执行的指令