操作系统：系统调用（System Calls）
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User Mode 和 Kernel Mode（用户态 & 内核态）
User Mode（用户态）
Kernel Mode（内核态）
系统调用是如何进行的？
系统调用（System Call）是应用程序与操作系统之间通信的桥梁。
简单说，用户程序不能直接访问硬件资源（比如硬盘、内存、打印机），它们必须通过系统调用来“请求”操作系统帮它做这些事。
为什么需要系统调用？
因为出于安全与控制的原因，用户程序：
-
不能直接控制硬件；
-
不能直接修改内存；
-
不能访问其他用户的数据。
必须通过系统调用进入操作系统控制下，才可以进行敏感操作。
举例几个常见的系统调用：
| 功能 | system call 示例（Linux） | 说明 |
|---|---|---|
| 文件操作 | open(), read(), write(), close() | 打开、读写文件 |
| 进程管理 | fork(), exec(), exit() | 创建或结束进程 |
| 内存管理 | mmap(), brk() | 请求内存、释放内存 |
| 设备操作 | ioctl() | 与硬件交互 |
| 网络通信 | socket(), bind(), send() | 网络通信功能 |
注意：这些是 用户程序通过库函数（如 C 的 stdio.h）封装后调用的系统接口，底层最终都要通过系统调用与操作系统打交道。
User Mode 和 Kernel Mode（用户态 & 内核态）
系统调用离不开一个概念：处理器的运行模式（CPU Modes）
🔁 系统调用触发“模式切换”
当程序执行系统调用时，操作系统会让 CPU 从：
User Mode（用户态） → Kernel Mode（内核态）
完成请求后，再切换回：
Kernel Mode → User Mode
| 模式 | 中文 | 权限 | 用于谁？ |
|---|---|---|---|
| User Mode | 用户态 | 受限，不能直接操作硬件 | 普通应用程序运行 |
| Kernel Mode | 内核态 | 权限最高，可访问所有资源 | 操作系统核心运行 |
操作系统通过 CPU 的硬件支持，实现两种运行模式。
User Mode（用户态）
User Mode 是程序在“受限环境下”运行的状态。用户程序不能访问内核内存或硬件设备，只能通过系统调用间接访问。
运行于用户态的对象：
-
普通应用程序：浏览器、微信、QQ、游戏
-
命令行程序、写字板等
-
用户自定义代码（如你写的 C/C++ 程序）
用户态的限制：
-
不能访问硬件（如显卡、硬盘、键盘）；
-
不能直接控制内存管理；
-
不能调用系统内核函数（除非通过系统调用）；
Kernel Mode（内核态）
Kernel Mode 是操作系统内核在运行时的状态，具有最高权限，可访问所有硬件与系统资源。
运行于内核态的对象：
-
操作系统核心（内核）；
-
设备驱动程序（驱动显卡、硬盘等）；
-
系统调用服务程序；
-
内核线程、调度器、内存管理器等。
内核态的能力：
| 能力 | 描述 |
|---|---|
| 直接访问硬件 | 读写内存、磁盘、网络等 |
| 控制进程 | 创建、销毁、调度进程 |
| 管理内存 | 分配、释放虚拟内存 |
| 安全检查 | 检查权限、保护数据 |
⚠️ 内核态的风险：
-
一旦出错，可能导致整个系统崩溃（蓝屏）；
-
所以，只有操作系统核心部分允许运行在内核态；
-
用户程序无法自行进入内核态，只能“请求”操作系统进入并代为处理。
发生了什么？
-
你打开一个程序（比如写字板）；
-
它运行在 User Mode；
-
当你点击“保存文件”时，需要写入硬盘；
-
程序发出一个 系统调用；
-
CPU 切换到 Kernel Mode（因为要访问硬盘）；
-
操作系统执行写文件操作；
-
完成后切换回 User Mode，程序继续运行。
👉 这个切换非常迅速，受 CPU 控制。
模式切换流程图：
┌────────────┐
│ User Mode │ ← 运行用户程序
└────┬───────┘│系统调用（例如 write）▼
┌────────────┐
│ Kernel Mode│ ← 进入操作系统内核，执行敏感操作
└────┬───────┘│操作完成，返回用户程序▼
┌────────────┐
│ User Mode │ ← 程序继续运行
└────────────┘
系统调用是如何进行的？
📄 实例：使用系统调用从一个文件读取数据，并复制到另一个文件中
这个例子是操作系统中最常见的文件操作场景。下面我们一步步分析这个过程所涉及的 系统调用（System Call）序列，同时讲清楚每一步背后发生了什么。
写一个程序完成如下操作：📥 从一个“输入文件”读取数据 → 📤 复制到“输出文件”
整体步骤与系统调用对照
1️⃣ Acquire Input Filename（获取输入文件名）
-
功能描述：程序向用户询问“请输入要读取的文件名”。
-
系统调用：
-
write()→ 把提示写到屏幕 -
read()→ 从键盘接收输入（标准输入）
-
write(1, "Enter input filename: ", 23); // 输出提示
read(0, buffer, 100); // 从用户读取输入
2️⃣ Acquire Output Filename（获取输出文件名）
-
同样使用：
-
write()→ 输出提示 -
read()→ 获取输入
-
3️⃣ Open Input File（尝试打开输入文件）
-
系统调用：
open(filename, O_RDONLY) -
说明：
-
打开文件用于读取（Read Only）
-
如果文件不存在，返回错误码 → 程序调用
exit()终止
-
int fd_in = open("input.txt", O_RDONLY);
if (fd_in < 0) {write(1, "File not found.\n", 16);exit(1); // 终止程序
}
4️⃣ Create Output File（创建输出文件）
-
系统调用：
open(filename, O_CREAT | O_EXCL | O_WRONLY, 0644) -
说明：
-
O_CREAT: 创建新文件 -
O_EXCL: 如果文件已存在则失败 -
O_WRONLY: 只写模式 -
0644: 设置权限
-
如果目标文件已存在，则中止（避免覆盖）
int fd_out = open("output.txt", O_CREAT | O_EXCL | O_WRONLY, 0644);
if (fd_out < 0) {write(1, "Output file exists.\n", 21);exit(1);
}
5️⃣ Read from Input File（从输入文件读取数据）
-
系统调用：
read(fd_in, buffer, size) -
循环读取直到文件末尾
char buffer[1024];
int bytesRead;
while ((bytesRead = read(fd_in, buffer, 1024)) > 0) {write(fd_out, buffer, bytesRead); // 同时写入输出文件
}
6️⃣ Write to Output File（写入输出文件）
-
系统调用：
write(fd_out, buffer, bytesRead) -
使用
write()把读取到的数据写入目标文件
7️⃣ Close Output File（关闭文件）
-
系统调用：
close(fd_in)和close(fd_out)
8️⃣ Write Completion Message to Screen（输出完成信息）
-
系统调用：
write(1, "Copy complete.\n", 15);告知用户复制成功
9️⃣ Terminate Normally（正常终止程序）
-
系统调用：
exit(0);
全流程总结图
系统调用就像“操作系统服务窗口”——你的程序必须通过这些窗口递交表单（open、read、write、exit等），操作系统审核通过后才会帮你操作硬件完成任务。