[Linux]系统调用理解

Posted 2020-07-15

本文是Linux系统调用专栏系列文章的第一篇，对Linux系统调用的定义、基本原理、使用方法和注意事项大概作了一个介绍，以便读者对Linux系统调用建立一个大致的印象。

 

什么是系统调用？

Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于，系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态；而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。二者在使用方式上也有相似之处，在下面将会提到。

随Linux核心还提供了一些C语言函数库，这些库对系统调用进行了一些包装和扩展，因为这些库函数与系统调用的关系非常紧密，所以习惯上把这些函数也称为系统调用。

 

 

Linux中共有多少个系统调用？

这个问题可不太好回答，就算让Linus Torvaldz本人也不见得一下子就能说清楚。

在2.4.4版内核中，狭义上的系统调用共有221个，你可以在<内核源码目录>/include/asm-i386/unistd.h中找到它们的原本，也可以通过命令"man 2 syscalls"察看它们的目录（man pages的版本一般比较老，可能有很多最新的调用都没有包含在内）。广义上的系统调用，也就是以库函数的形式实现的那些，它们的个数从来没有人统计过，这是一件吃力不讨好的活，新内核不断地在推出，每一个新内核中函数数目的变化根本就没有人在乎，至少连内核的修改者本人都不在乎，因为他们从来没有发布过一个此类的声明。

随本文一起有一份经过整理的列表，它不可能非常全面，但常见的系统调用基本都已经包含在内，那里面只有不多的一部分是你平时用得到的，本专栏将会有选择的对它们进行介绍。

 

 

为什么要用系统调用？

实际上，很多已经被我们习以为常的C语言标准函数，在Linux平台上的实现都是靠系统调用完成的，所以如果想对系统底层的原理作深入的了解，掌握各种系统调用是初步的要求。进一步，若想成为一名Linux下编程高手，也就是我们常说的Hacker，其标志之一也是能对各种系统调用有透彻的了解。

即使除去上面的原因，在平常的编程中你也会发现，在很多情况下，系统调用是实现你的想法的简洁有效的途径，所以有可能的话应该尽量多掌握一些系统调用，这会对你的程序设计过程带来意想不到的帮助。

 

 

系统调用是怎么工作的？

一般的，进程是不能访问内核的。它不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数。CPU硬件决定了这些（这就是为什么它被称作"保护模式"）。系统调用是这些规则的一个例外。其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置（当然，这个位置是用户进程可读但是不可写的）。在Intel CPU中，这个由中断0x80实现。硬件知道一旦你跳到这个位置，你就不是在限制模式下运行的用户，而是作为操作系统的内核--所以你就可以为所欲为。

进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程（或到其他进程，如果这个进程时间用尽）。如果你希望读这段代码，它在<内核源码目录>/kernel/entry.S，Entry(system_call)的下一行。

 

 

如何使用系统调用？

先来看一个例子：

#include<linux/unistd.h> /*定义宏_syscall1*/
#include<time.h>     /*定义类型time_t*/
_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)    /*宏，展开后得到time()函数的原型*/
main()
{
        time_t the_time;
        the_time=time((time_t *)0); /*调用time系统调用*/
        printf("The time is %ld\n",the_time);
}
系统调用time返回从格林尼治时间1970年1月1日0:00开始到现在的秒数。
这是最标准的系统调用的形式，宏_syscall1()展开来得到一个函数原型，稍后我会作详细解释。但事实上，如果把程序改成下面的样子，程序也可以运行得同样的结果。
#include<time.h>
main()
{
        time_t the_time;
        the_time=time((time_t *)0); /*调用time系统调用*/
        printf("The time is %ld\n",the_time);
}

　　

这是因为在time.h中实际上已经用库函数的形式实现了time这个系统调用，替我们省掉了调用_syscall1宏展开得到函数原型这一步。

大多数系统调用都在各种C语言函数库中有所实现，所以在一般情况下，我们都可以像调用普通的库函数那样调用系统调用，只在极个别的情况下，我们才有机会用到_syscall*()这几个宏。

 

 

_syscall*()是什么？

在unistd.h里定义了7个宏，分别是

_syscall0(type,name)
_syscall1(type,name,type1,arg1)
_syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2)
_syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3)
_syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4)
_syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5)
_syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5,type6,arg6)

　　

它们看起来似乎不太像宏，但其实质和 
#define MAXSIZE 100 
里面的MAXSIZE没有任何区别。

它们的作用是形成相应的系统调用函数原型，供我们在程序中调用。我们很容易就能发现规律，_syscall后面的数字和typeN,argN的数目一样多。事实上，_syscall后面跟的数字指明了展开后形成函数的参数的个数，让我们看一个实例，就是刚刚用过的time系统调用：

_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)

　　

展开后的情形是这样：

time_t   time(time_t *   tloc)
{
    long __res;
    __asm__ volatile("int $0x80" : "=a" (__res) : "0" (13),"b" ((long)(tloc)));
    do {
        if ((unsigned long)(__res) >= (unsigned long)(-125)) {
            errno = -(__res);
            __res  = -1;
        }
        return (time_t) (__res);
    } while (0) ;
}

　　

可以看出，_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)展开成一个名为time的函数，原参数time_t就是函数的返回类型，原参数time_t *和tloc分别构成新函数的参数。事实上，程序中用到的time函数的原型就是它。

 

 

errno是什么？

为防止和正常的返回值混淆，系统调用并不直接返回错误码，而是将错误码放入一个名为errno的全局变量中。如果一个系统调用失败，你可以读出errno的值来确定问题所在。

errno不同数值所代表的错误消息定义在errno.h中，你也可以通过命令"man 3 errno"来察看它们。

需要注意的是，errno的值只在函数发生错误时设置，如果函数不发生错误，errno的值就无定义，并不会被置为0。另外，在处理errno前最好先把它的值存入另一个变量，因为在错误处理过程中，即使像printf()这样的函数出错时也会改变errno的值。

 

 

系统调用兼容性好吗？

很遗憾，答案是--不好。但这决不意味着你的程序会三天两头的导致系统崩溃，因为系统调用是Linux的内核提供的，所以它们工作起来非常稳定，对于此点无需丝毫怀疑，在绝大多数的情况下，系统调用要比你自己编写的代码可靠而高效的多。

但是，在Linux的各版本内核之间，系统调用的兼容性表现得并不像想象那么好，这是由Linux本身的性质决定的。Linux是一群程序设计高手利用业余时间开发出来的，他们中间的大部分人没有把Linux当成一个严肃的商业软件，（现在的情况有些不同了，随着Linux商业公司和以Linux为生的人的增长，不少人的脑筋发生了变化。）结果就是，如果新的方案在效率和兼容性上发生了矛盾，他们往往舍弃兼容性而追求效率，就这样，如果他们认为某个系统调用实现的比较糟糕，他们就会毫不犹豫的作出修改，有些时候甚至连接口也一起改掉了，更可怕的是，很多时候，他们对自己的修改连个招呼也不打，在任何文档里都找不到关于修改的提示。这样，每当新内核推出的时候，很可能都会悄悄的更新一些系统调用，用户编制的应用程序也会跟着出错。

说到这里，你是不是感觉前途一片昏暗呢？呵呵，不用太紧张，如前面所说，随着越来越多的人把Linux当成自己的饭碗，不兼容的情况也越来越罕见。从2.2版本以后的Linux内核已经非常稳定了，不过尽管如此，你还是有必要在每个新内核推出之后，对自己的应用程序进行兼容性测试，以防止意外的发生。

 

 

该如何学习使用Linux系统调用呢？

你可以用"man 2 系统调用名称"的命令来查看各条系统调用的介绍，但这首先要求你要有不错的英语基础，其次还得有一定的程序设计和系统编程的功底，man pages不会涉及太多的应用细节，因为它只是一个手册而非教程。如果man pages所提供的东西不能使你感到非常满意，那就跟我来吧，本专栏将向你展示Linux系统调用编程的无穷魅力。

虽然本专栏并非异常高深的技术文章，但是还对读者有两点小小的要求：1)读者必须有一定的C语言编程经验，本专栏不会在语言细节上过分纠缠；2)读者必须有一定的Linux使用经验，本专栏也不打算在Linux应用上大动干戈。举一个小小的测试标准，如果你能完全看懂本文从开头到这里所讲的东西，你就合格了。收拾好行囊，准备出发吧！

附： 《Linux系统调用列表》

参考资料

• Linux man pages
• The Linux Programmer‘s Guider, Sven Goldt & Sven van der Meer & Scott Burkett & Matt Welsh，1995
• 计算机操作系统，汤子瀛 哲凤屏 汤小丹，西安电子科技大学出版社，2000
• IBM系统调用跟我学