系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数

系统调用、POSIX、C库、系统命令和内核函数
2010年12月06日
　　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。
　　
　　498)this.style.width=498;" height=240> 图5.1  C库函数与系统调用
　　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。