当前位置：首页 > news >正文

Linux系统 - 系统编程概念

news 来源：原创 2025/5/29 8:49:17

1 系统调用

系统调用是受控的内核入口，借助于这一机制，进程可以请求内核以自己的名义去执行某些动作。以应用程序编程接口（API）的形式，内核提供有一系列服务供程序访问。这包括创建新进程、执行 I/O，以及为进程间通信创建管道等。

系统调用将处理器从用户态切换到核心态，以便 CPU 访问受到保护的内核内存。
系统调用的组成是固定的，每个系统调用都由一个唯一的数字来标识。（程序通过名称来标识系统调用，对这一编号方案往往一无所知。）
每个系统调用可辅之以一套参数，对用户空间（亦即进程的虚拟地址空间）与内核空间之间（相互）传递的信息加以规范。

从编程角度来看，系统调用与 C 语言函数的调用很相似。然而，在执行系统调用时，其幕后会历经诸多步骤。为说明这点，下面以一个具体的硬件平台—x86-32 为例，按事件发生的顺序对这些步骤加以分析。

应用程序通过调用 C 语言函数库中的外壳（wrapper）函数，来发起系统调用。
对系统调用中断处理例程来说，外壳函数必须保证所有的系统调用参数可用。通过堆栈，这些参数传入外壳函数，但内核却希望将这些参数置入特定寄存器。因此，外壳函数会将上述参数复制到寄存器。
由于所有系统调用进入内核的方式相同，内核需要设法区分每个系统调用。为此，外壳函数会将系统调用编号复制到一个特殊的 CPU 寄存器（%eax）中。
外壳函数执行一条中断机器指令（int 0x80），引发处理器从用户态切换到核心态，并执行系统中断 0x80 的中断矢量所指向的代码。
为响应中断 0x80，内核会调用 system_call()例程（位于汇编文件 arch/i386/entry.S 中）来处理这次中断，具体如下。
- 在内核栈中保存寄存器值。
- 审核系统调用编号的有效性。
- 以系统调用编号对存放所有调用服务例程的列表（内核变量 sys_call_table）进行索引，发现并调用相应的系统调用服务例程。若系统调用服务例程带有参数，那么将首先检查参数的有效性。例如，会检查地址指向用户空间的内存位置是否有效。随后，该服务例程会执行必要的任务，这可能涉及对特定参数中指定地址处的值进行修改，以及在用户内存和内核内存间传递数据（比如，在 I/O 操作中）。最后，该服务例程会将结果状态返回给 system_call()例程。
- 从内核栈中恢复各寄存器值，并将系统调用返回值置于栈中。
- 返回至外壳函数，同时将处理器切换回用户态。
若系统调用服务例程的返回值表明调用有误，外壳函数会使用该值来设置全局变量 errno。然后，外壳函数会返回到调用程序，并同时返回一个整型值，以表明系统调用是否成功。

下图以系统调用 execve()为例，展示了上文述及事件的发生序列。在 Linux/x86-32 上，execve()的系统调用号为 11(__NR_execve)。因此，在 sys_call_table 向量中，条目 11 包含了该系统调用的服务例程 sys_execve()的地址。（在 Linux 中，系统调用服务例程的命名通常会采取sys_xyz()的形式，其中，xyz()正是所论及的系统调用。）

值得注意的是即便对于一个简单的系统调用，仍要完成相当多的工作，因此系统调用的开销虽小，却也不容忽视。
请添加图片描述
因此，从 C 语言编程的角度来看，调用 C 语言函数库的外壳（wrapper）函数等同于调用相应的系统调用服务例程。为调试程序，或是研究程序的运作机制，可使用 strace 命令，对程序发起的系统调用进行跟踪。

2 库函数

一个库函数是构成标准 C 语言函数库的众多库函数之一。库函数的用途多种多样，可用来执行以下任务：打开文件、将时间转换为可读格式，以及进行字符串比较等。

许多库函数（比如，字符串操作函数）不会使用任何系统调用。
有些库函数构建于系统调用层之上。例如，库函数 fopen()就利用系统调用 open()来执行打开文件的实际操作。

设计库函数是为了提供比底层系统调用更为方便的调用接口。例如，printf()函数可提供格式化输出和数据缓存功能，而 write()系统调用只能输出字节块。同理，与底层的 brk()系统调用相比，malloc()和 free()函数还执行了各种登记管理工作，内存的释放和分配也因此而容易许多。

3 处理来自系统调用和库函数的错误

几乎每个系统调用和库函数都会返回某类状态值，用以表明调用成功与否。要了解调用是否成功，必须坚持对状态值进行检查。若调用失败，那么必须采取相应行动。至少，程序应该显示错误消息，警示有意想不到的事件发生。
不检查状态值，少敲几个字，认定系统调用或库函数“不可能失败”，不对状态返回值进行检查，这会浪费掉大把的程序调试时间。

3.1 处理系统调用错误

每个系统调用的手册页记录有调用可能的返回值，并指出了哪些值表示错误。通常，返回值为-1 表示出错。因此，可使用下列代码对系统调用进行检查：

fd =open(pathname, flags, mode);		/*system call to open a file */
if(fd == -1) {/* Code to handle the error */
}if(close(fd)==-1) {/*Code to handle the error */
}

系统调用失败时，会将全局整型变量 errno 设置为一个正值，以标识具体的错误。程序应#include <errno.h>头文件，该文件提供了对 errno 的声明，以及一组针对各种错误编号而定义的常量。所有这些符号名都以字母 E 打头。在每个手册页内标题为 ERRORS 的章节内，都刊载有一份相应系统调用可能返回的 errno 值列表。以下便是利用 errno 诊断系统调用错误的一个简单示例：

cnt= read(fd, buf, numbytes);
if(cnt ==-1) {if(errno == EINTR)fprintf(stderr, "read was interrupted by a signal\n");else {/* Some other error occurred */}
}

如果调用系统调用和库函数成功，errno 绝不会被重置为 0，故此，该变量值不为 0，可能是之前调用失败造成的。因此，在进行错误检查时，必须坚持首先检查函数的返回值是否表明调用出错，然后再检查 errno 确定错误原因。

少数系统调用（比如，getpriority()）在调用成功后，也会返回−1。要判断此类系统调用是否发生错误，应在调用前将 errno 置为 0，并在调用后对其进行检查（上述手法同样适用于某些库函数）。

系统调用失败后，常见的做法之一是根据 errno 值打印错误消息。提供库函数 perror()和strerror()，就是出于这一目的。

函数 perror()会打印出其 msg 参数所指向的字符串，紧跟一条与当前 errno 值相对应的消息。

#include <stdio.h>
void perror(const char *msg);

以下是对系统调用错误进行处理的一种简单方式：

fd = open(pathname, flags, mode);
if(fd == -1) {perror("open");exit(EXIT FAILURE);
}

函数 strerror()会针对其 errnum 参数中所给定的错误号，返回相应的错误字符串。

#include <string.h>
char *strerror(int erum);/* Returns pointer to error string corresponding to errnum */

由 strerror()所返回的字符串可以是静态分配的，这意味着后续对 strerror()的调用可能会覆盖该字符串。
若无法识别 errnum 所含的错误编号，则 strerror()会返回“Unknown error nnn.”形式的字符串。在某些其他的实现中，在这种情况下，strerror()会返回 NULL。

3.2 处理来自库函数的错误

不同的库函数在调用发生错误时，返回的数据类型和值也各不相同。从错误处理的角度来说，可将库函数划分为以下几类。

某些库函数返回错误信息的方式与系统调用完全相同——返回值为−1，伴之以 errno 号来表示具体错误。remove()便是其中一例，可使用该函数来删除文件（调用 unlink()系统调用）或目录（调用 rmdir()系统调用）。对此类函数所发生的错误进行诊断，其方式与系统调用完全相同。
某些库函数在出错时会返回 −1 之外的其他值，但仍会设置 errno 来表明具体的出错情况。例如，fopen()在出错时会返回一个 NULL 指针，还会根据出错的具体底层系统调用来设置 errno。函数 perror()和 strerror()都可用来诊断此类错误。
还有些函数根本不使用 errno。对此类函数来说，确定错误存在与否及其起因的方法各不相同，可见诸于相应函数的手册页中，不应使用 errno、perror()或 strerror()来诊断错误。