C++ 函数调用和系统调用的区别

发布于 2020-9-24 10:30
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一、概念

 

1.什么是系统调用?(常见Linux及其分类表)

 

所谓系统调用就是用户在程序中调用操作系统所提供的一个子功能,也就是系统API,系统调用可以被看做特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(如存储分配、进行I/O传输及管理文件等),都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求,并由操作系统代为完成。通常,一个操作系统提供的系统调用命令有几十个乃至上百个之多。

 

  这些系统调用按照功能大致可以分为以下几类:

 

  * 设备管理:完成设备的请求或释放,以及设备启动等功能。

  * 文件管理:完成文件的读、写、创建及删除等功能

  * 进程控制:完成进程的创建、撤销、阻塞、及唤醒的功能

  * 进程通信:完成进程之间的消息传递或信号的传递

  * 内存管理:完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

 

显然,系统调用运行在系统的核心态。通过系统调用的方式来使用系统功能,可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。系统调用命令式由操作系统提供的一个或多个子程序模块来实现的。

 

下图详细阐述了,Linux系统中系统调用的过程:(int  0x80中断向量是dos系统返回,int  3中断向量是断点指令——可以查中断向量表)

 

C++ 函数调用和系统调用的区别-开源基础软件社区

 

2.库是可重用的模块,处于用户态。

 

  系统调用是操作系统提供的服务,处于内核态,不能直接调用,而要使用类似int  0x80的软中断陷入内核,所以库函数中有很大部分是对系统调用的封装。

 

3.既然如此,如何调用系统调用?

 

  用户是处于用户态,具有的权限是非常有限,肯定是不能直接使用内核态的服务,只能间接通过有访问权限的API函数内嵌的系统调用函数来调用。

 

4.介绍下系统调用的过程:

 

  首先将API函数参数压到栈上,然后将函数内调用系统调用的代码放入寄存器,通过陷入中断,进入内核将控制权交给操作系统,操作系统获得控制后,将系统调用代码拿出来,跟操作系统一直维护的一张系统调用表做比较,已找到该系统调用程序体的内存地址,接着访问该地址,执行系统调用。执行完毕后,返回用户程序

 

C++ 函数调用和系统调用的区别-开源基础软件社区

 

例子:

 int main()

  {

     int fd = create("filename",0666);

     exit(0);

  }

 

在执行main函数时,是在user mode下执行,当遇到create函数时,继续在user mode下执行,然后将filename和0666两个参数压入栈中寄存器,接着调用库函数create,系统仍然处于user mode。这里的库函数create实际上调用了内核的系统调用create,执行到这里后,系统将create系统调用的unique number压入寄存器,然后执行指令trap使系统进入kernel mode(执行int $0x80产生中断)。

 

这时系统意识到要进行系统调用的invoke,于是从刚才的寄存器中取出create系统调用的unique number,从系统调用表中得知要invoke的系统调用是create,然后执行。执行完毕返回库函数create的调用,库函数负责检查系统调用的执行情况(检查某些寄存器的值),然后库函数create根据检查的结果返回响应的值。

 

这里trap指令类似于一个系统中断并且是软中断,而系统调用create类似于一个中断处理函数所有的系统调用都与上边的情况类似,靠中断机制切换到内核模式实现。

 

系统调用通常比库函数要慢,因为要把上下文环境切换到内核模式。

 

6.补充一下系统调用和库函数的区别:

 

系统调用:是操作系统为用户态运行的进程和硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互提供的一组接口,即就是设置在应用程序和硬件设备之间的一个接口层。可以说是操作系统留给用户程序的一个接口。

 

再来说一下,linux内核是单内核,结构紧凑,执行速度快,各个模块之间是直接调用的关系。放眼望整个linux系统,从上到下依次是用户进程->linux内核->硬件。其中系统调用接口是位于Linux内核中的,如果再稍微细分一下的话,整个linux系统从上到下可以是:用户进程->系统调用接口->linux内核子系统->硬件,也就是说Linux内核包括了系统调用接口和内核子系统两部分;或者从下到上可以是:物理硬件->OS内核->OS服务->应用程序,其中操作系统起到“承上启下”的关键作用,向下管理物理硬件,向上为操作系服务和应用程序提供接口,这里的接口就是系统调用了。

 

一般地,操作系统为了考虑实现的难度和管理的方便,它只提供一少部分的系统调用,这些系统调用一般都是由C和汇编混合编写实现的,其接口用C来定义,而具体的实现则是汇编,这样的好处就是执行效率高,而且,极大的方便了上层调用。

 


7.库函数:

 

顾名思义是把函数放到库里。是把一些常用到的函数编完放到一个文件里,供别人用。别人用的时候把它所在的文件名用#include<>加到里面就可以了。一般是放到lib文件里的。一般是指编译器提供的可在c源程序中调用的函数。可分为两类,一类是c语言标准规定的库函数,一类是编译器特定的库函数。(由于版权原因,库函数的源代码一般是不可见的,但在头文件中你可以看到它对外的接口)

 

libc中就是一个C标准库,里面存放一些基本函数,这些基本函数都是被标准化了的,而且这些函数通常都是用汇编直接实现的。

 

库函数一般可以概括的分为两类,一类是随着操作系统提供的,另一类是由第三方提供的。随着系统提供的这些库函数把系统调用进行封装或者组合,可以实现更多的功能,这样的库函数能够实现一些对内核来说比较复杂的操作。比如,read()函数根据参数,直接就能读文件,而背后隐藏的比如文件在硬盘的哪个磁道,哪个扇区,加载到内存的哪个位置等等这些操作,程序员是不必关心的,这些操作里面自然也包含了系统调用。

 

而对于第三方的库,它其实和系统库一样,只是它直接利用系统调用的可能性要小一些,而是利用系统提供的API接口来实现功能(API的接口是开放的)。部分Libc库中的函数的功能的实现还是借助了系统掉调用,比如printf的实现最终还是调用了write这样的系统调用;而另一些则不会使用系统调用,比如strlen, strcat, memcpy等。

 

事实上,系统调用所提供给用户的是直接而纯粹的高级服务,如果想要更人性化,具有更符合特定情况的功能,那么就要我们用户自己来定义,因此就衍生了库函数,它把部分系统调用包装起来,一方面把系统调用抽象了,一方面方便了用户级的调用。系统调用和库函数在执行的效果上很相似(当然库函数会更符合需求),但是系统调用是运行于内核状态;而库函数由用户调用,运行于用户态。

 

系统调用是为了方便使用操作系统的接口,而库函数则是为了人们编程的方便。

 

 

作者:石虎132

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已于2020-9-24 16:21:47修改
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