一、前言

為什么用戶程序不能直接訪問系統(tǒng)內(nèi)核模式提供的服務(wù)?

在linux中，將程序的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間與用戶空間(內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài))，在邏輯上它們之間是相互隔離的，因此用戶程序不能訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法使用內(nèi)核函數(shù)。當(dāng)用戶進(jìn)程必須訪問內(nèi)核或使用某個內(nèi)核函數(shù)時，就得使用系統(tǒng)調(diào)用(System Call)。在Linux中，系統(tǒng)調(diào)用是用戶空間訪問內(nèi)核空間的唯一途徑。

什么是系統(tǒng)調(diào)用?

答：系統(tǒng)調(diào)用就是一種特殊的接口。通過這個接口，用戶可以訪問內(nèi)核空間。系統(tǒng)調(diào)用規(guī)定了用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核的具體位置。系統(tǒng)調(diào)用是用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核的接口層，它本身并非內(nèi)核函數(shù)，但它是由內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入內(nèi)核后，不同的系統(tǒng)調(diào)用會找到各自對應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)，這些內(nèi)核函數(shù)被稱為系統(tǒng)調(diào)用的“服務(wù)例程”。比如系統(tǒng)調(diào)用getpid實(shí)際調(diào)用了服務(wù)例程為sys_getpid(),或者說系統(tǒng)調(diào)用getpid是服務(wù)例程sys_getpid()的“封裝例程”。

具體步驟：用戶進(jìn)程-->系統(tǒng)調(diào)用-->內(nèi)核-->返回用戶空間。

系統(tǒng)調(diào)用就是為了解決上述問題而引入的，是提供給用戶的“特殊接口”，系統(tǒng)調(diào)用規(guī)定用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核空間的具體位置。

1.程序運(yùn)行空間從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間。

2.處理完后再返回用戶空間。

什么是API

答：應(yīng)用程序接口API(Application Programming Interface) ，是程序員在用戶空間下可以直接使用的函數(shù)接口。是一些預(yù)定義的函數(shù)，比如常用的read()、malloc()、free()、abs()函數(shù)等，這些函數(shù)都具有一定功能，說明了如何獲得一個給定的服務(wù)，跟內(nèi)核沒有必然的聯(lián)系。提供應(yīng)用程序與開發(fā)人員基于某軟件或硬件的以訪問一組例程的能力，而又無需訪問源碼，或理解內(nèi)部工作機(jī)制的細(xì)節(jié)。

兩者的區(qū)別

答：區(qū)別：api是函數(shù)的定義，規(guī)定了這個函數(shù)的功能，跟內(nèi)核無直接關(guān)系。而系統(tǒng)調(diào)用是通過中斷向內(nèi)核發(fā)請求，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核提供的某些服務(wù)。

聯(lián)系：程序員調(diào)用的是API(API函數(shù))，然后通過與系統(tǒng)調(diào)用共同完成函數(shù)的功能。 因此，API是一個提供給應(yīng)用程序的接口，一組函數(shù)，是與程序員進(jìn)行直接交互的。系統(tǒng)調(diào)用則不與程序員進(jìn)行交互的，它是根據(jù)API函數(shù)，通過一個軟中斷機(jī)制向內(nèi)核提交請求，以獲取內(nèi)核服務(wù)的接口。

有時候，某些API所提供的功能會涉及到與內(nèi)核空間進(jìn)行交互。那么，這類API內(nèi)部會封裝系統(tǒng)調(diào)用。而不涉及與內(nèi)核進(jìn)行交互的API則不會封裝系統(tǒng)調(diào)用。也就是說，API和系統(tǒng)調(diào)用并沒有嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，一個API可能恰好只對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用，比如read()系統(tǒng)調(diào)用和read();一個API也可能由多個系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn);有時候，一個API的功能可能并不需要內(nèi)核提供的服務(wù)，那么此時這個API也就不需要任何的系統(tǒng)調(diào)用，比如abs()。另外，一個系統(tǒng)調(diào)用可能還被多個API內(nèi)部調(diào)用。

對于編程者來說，系統(tǒng)調(diào)用和API都是一組函數(shù)，并無什么兩樣，二者關(guān)注的都是函數(shù)名、參數(shù)類型及返回值的含義;但是事實(shí)上，系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)是在內(nèi)核完成的，API則是在函數(shù)庫中實(shí)現(xiàn)的。

例如: 在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了write系統(tǒng)調(diào)用。

AI寫代碼

在庫函數(shù)中通過宏定義的方式實(shí)現(xiàn)write API。可以在unistd.h中看到write到系統(tǒng)調(diào)用的轉(zhuǎn)換。

API是用戶程序直接可以使用的函數(shù)接口，但如果每個操作系統(tǒng)都擁有只屬于自己的API，那么應(yīng)用程序的移植性將會很差。基于POSIX(Portable Operating System Interface)標(biāo)準(zhǔn)的API擁有很好的可移植性，它定義了一套POSIX兼容標(biāo)準(zhǔn)，這使得按這個標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的API可以在各種版本的UNIX中使用?，F(xiàn)如今，它也可以在除UNIX之外的操作系統(tǒng)中使用，比如Linux，Windows NT等。

二、系統(tǒng)調(diào)用

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配所有的計(jì)算機(jī)資源。為了更好地服務(wù)于應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)提供了一組特殊接口———系統(tǒng)調(diào)用。用戶程序可以通過這組特殊的接口來獲取操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的各種功能，如分配內(nèi)存、創(chuàng)建進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信等。

系統(tǒng)調(diào)用(system call) 其實(shí)是 Linux 內(nèi)核提供給應(yīng)用層的應(yīng)用編程接口(API) ， 是 Linux 應(yīng)用層進(jìn)入內(nèi)核的入口。不止 Linux 系統(tǒng)，所有的操作系統(tǒng)都會向應(yīng)用層提供系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用來使用操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù)。

通過系統(tǒng)調(diào)用， Linux 應(yīng)用程序可以請求內(nèi)核以自己的名義執(zhí)行某些事情，譬如打開磁盤中的文件、讀寫文件、關(guān)閉文件以及控制其它硬件外設(shè)。

通過系統(tǒng)調(diào)用 API，應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核的交互，其關(guān)系可通過下圖簡單描述：

內(nèi)核提供了一系列的服務(wù)、資源、支持一系列功能，應(yīng)用程序通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 API 函數(shù)來使用內(nèi)核提供的服務(wù)、資源以及各種各樣的功能， 如果大家接觸過其它操作系統(tǒng)編程，想必對此并不陌生，譬如Windows 應(yīng)用編程，操作系統(tǒng)內(nèi)核一般都會向應(yīng)用程序提供應(yīng)用編程接口 API，否則我們將我無法使用操作系統(tǒng)。

為什么用戶程序不能直接訪問系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)呢?答案是不安全。

單片機(jī)開發(fā)中，由于不需要操作系統(tǒng)，只需要知道寄存器的地址，代碼通過指針直接操作硬件，所以開發(fā)人員可以編寫代碼直接訪問硬件。硬件>>>>>>代碼直接在內(nèi)存中運(yùn)行操作硬件。

而在嵌入式系統(tǒng)中通常都要運(yùn)行操作系統(tǒng)，程序訪問資源的方式就發(fā)生了改變。操作系統(tǒng)基本上都支持多任務(wù)，即同時可以運(yùn)行多個程序。如果允許程序直接訪問系統(tǒng)資源，肯定會帶來很多問題。因此，所有軟硬件資源的管理和分配都由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。程序要獲取資源(如分配內(nèi)存、讀寫串口)必須通過操作系統(tǒng)來完成，即用戶程序向操作系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請求，操作系統(tǒng)收到請求后執(zhí)行相關(guān)的代碼來處理。硬件>>>>>>>操作系統(tǒng)>>>>>>>代碼

還有更重要的一點(diǎn)是，在Linux中，為了更好地保護(hù)內(nèi)核空間，將程序的運(yùn)行空間分為用戶空間和內(nèi)核空間(也就是常稱的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài))，它們分別運(yùn)行在不同的級別上，邏輯上是相互分離的。因此，用戶進(jìn)程通常情況下不允許訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法使用內(nèi)核函數(shù)，它們只能在用戶空間操作用戶數(shù)據(jù)，調(diào)用用戶空間的函數(shù)。但是，在有些情況下，用戶空間的進(jìn)程需要獲得內(nèi)核的系統(tǒng)服務(wù)(調(diào)用內(nèi)核空間程序)，這時操作系統(tǒng)就必須利用系統(tǒng)提供用戶的特殊接口———”系統(tǒng)調(diào)用”規(guī)定用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核空間的具體位置。在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時，程序運(yùn)行空間需要從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間，處理完成后再返回用戶空間。

用戶程序向操作系統(tǒng)提出請求的接口就是系統(tǒng)調(diào)用。所有的操作系統(tǒng)都會提供系統(tǒng)調(diào)用接口，只不過不同的操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口各不相同。Linux系統(tǒng)調(diào)用接口非常精簡(只有250個左右)，它繼承了UNIX系統(tǒng)調(diào)用中最基本和最有用的部分。這些系統(tǒng)調(diào)用按照功能大致可分為進(jìn)程控制、進(jìn)程間通信、文件系統(tǒng)控制、存儲管理、網(wǎng)絡(luò)管理、套接字控制、用戶管理等。

應(yīng)用編程與裸機(jī)編程、驅(qū)動編程有什么區(qū)別?

在學(xué)習(xí)應(yīng)用編程之前，相信大家都有過軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，譬如 51、 STM32 等單片機(jī)軟件開發(fā)、 以及嵌入式 Linux 硬件平臺下的驅(qū)動開發(fā)等， 51、 STM32 這類單片機(jī)的軟件開發(fā)通常是裸機(jī)程序開發(fā)，并不會涉及到操作系統(tǒng)的概念，那應(yīng)用編程與裸機(jī)編程以及驅(qū)動開發(fā)有什么區(qū)別呢?

就拿嵌入式 Linux 硬件平臺下的軟件開發(fā)來說，我們大可將編程分為三種，分別為裸機(jī)編程、 Linux 驅(qū)動編程以及 Linux 應(yīng)用編程。首先對于裸機(jī)編程這個概念來說很好理解，一般把沒有操作系統(tǒng)支持的編程環(huán)境稱為裸機(jī)編程環(huán)境，譬如單片機(jī)上的編程開發(fā)，編寫直接在硬件上運(yùn)行的程序，沒有操作系統(tǒng)支持; 狹義上 Linux 驅(qū)動編程指的是基于內(nèi)核驅(qū)動框架開發(fā)驅(qū)動程序， 驅(qū)動開發(fā)工程師通過調(diào)用 Linux 內(nèi)核提供的接口完成設(shè)備驅(qū)動的注冊， 驅(qū)動程序負(fù)責(zé)底層硬件操作相關(guān)邏輯， 如果學(xué)習(xí)過 Linux 驅(qū)動開發(fā)的讀者，想必對此并不陌生; 而 Linux 應(yīng)用編程(系統(tǒng)編程)則指的是基于 Linux 操作系統(tǒng)的應(yīng)用編程，在應(yīng)用程序中通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 API 完成應(yīng)用程序的功能和邏輯， 應(yīng)用程序運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上。通常在操作系統(tǒng)下有兩種不同的狀態(tài)：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶態(tài)、而內(nèi)核則運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

三、用戶編程接口(API)---C庫

前面提到利用系統(tǒng)調(diào)用接口程序可以訪問各種資源，但并不直接與程序員進(jìn)行交互，它僅僅是一個通過軟中斷機(jī)制向內(nèi)核提交請求以獲取內(nèi)核服務(wù)的接口。但在實(shí)際開發(fā)中程序并不直接使用系統(tǒng)調(diào)用接口，而是使用用戶程序編程接口(API)。例如，創(chuàng)建進(jìn)程的API函數(shù)fork()函數(shù)對應(yīng)于內(nèi)核空間的sys_fork()系統(tǒng)調(diào)用，但并不是所有的函數(shù)都對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用。有時，一個API函數(shù)會需要幾個系統(tǒng)調(diào)用來共同完成函數(shù)的功能，甚至還有一些API函數(shù)不需要調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用(因此它所完成的不是內(nèi)核提供的服務(wù))。

前面給大家介紹了系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核直接向應(yīng)用層提供的應(yīng)用編程接口， 譬如 open、 write、read、 close 等。編寫應(yīng)用程序除了使用系統(tǒng)調(diào)用之外，我們還可以使用庫函數(shù)。

庫函數(shù)也就是 C 語言庫函數(shù)， C 語言庫是應(yīng)用層使用的一套函數(shù)庫， 在 Linux 下，通常以動態(tài)(.so)庫文件的形式提供，存放在根文件系統(tǒng)/lib 目錄下， C 語言庫函數(shù)構(gòu)建于系統(tǒng)調(diào)用之上，也就是說庫函數(shù)其實(shí)是由系統(tǒng)調(diào)用封裝而來的，當(dāng)然也不能完全這么說， 原因在于有些庫函數(shù)并不調(diào)用任何系統(tǒng)調(diào)用，譬如一些字符串處理函數(shù) strlen()、 strcat()、 memcpy()、 memset()、 strchr()等等; 而有些庫函數(shù)則會使用系統(tǒng)調(diào)用來幫它完成實(shí)際的操作，譬如庫函數(shù) fopen 內(nèi)部調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用 open()來幫它打開文件、庫函數(shù) fread()就利用了系統(tǒng)調(diào)用 read()來完成讀文件操作、 fwrite()就利用了系統(tǒng)調(diào)用 write()來完成寫文件操作。

庫函數(shù)可以理解為是對系統(tǒng)調(diào)用的一層封裝。系統(tǒng)調(diào)用作為內(nèi)核提供給用戶程序的接口，它的執(zhí)行效率是比較高效而精簡的，但有時我們需要對獲取的信息進(jìn)行更復(fù)雜的處理，或更人性化的需要，我們把這些處理過程封裝成一個函數(shù)再提供給程序員，更方便于程序猿編碼。庫函數(shù)有可能包含有一個系統(tǒng)調(diào)用，有可能有好幾個系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)然也有可能沒有系統(tǒng)調(diào)用，比如有些操作不需要涉及內(nèi)核的功能?？梢詤⒖枷聢D來理解庫函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用的關(guān)系。

Linux 系統(tǒng)內(nèi)核提供了一系列的系統(tǒng)調(diào)用供應(yīng)用層使用， 我們直接使用系統(tǒng)調(diào)用就可以了呀，那為何還要設(shè)計(jì)出庫函數(shù)呢?事實(shí)上， 有些系統(tǒng)調(diào)用使用起來并不是很方便， 于是就出現(xiàn)了 C 語言庫，這些 C 語言庫函數(shù)的設(shè)計(jì)是為了提供比底層系統(tǒng)調(diào)用更為方便、更為好用、 且更具有可移植性的調(diào)用接口。

來看一看它們之間的區(qū)別：

庫函數(shù)是屬于應(yīng)用層，而系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核提供給應(yīng)用層的編程接口，屬于系統(tǒng)內(nèi)核的一部分;

庫函數(shù)運(yùn)行在用戶空間，調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用會由用戶空間(用戶態(tài))陷入到內(nèi)核空間(內(nèi)核態(tài));

庫函數(shù)通常是有緩存的，而系統(tǒng)調(diào)用是無緩存的，所以在性能、效率上，庫函數(shù)通常要優(yōu)于系統(tǒng)調(diào)用;

可移植性：庫函數(shù)相比于系統(tǒng)調(diào)用具有更好的可移植性，通常對于不同的操作系統(tǒng)，其內(nèi)核向應(yīng)用層提供的系統(tǒng)調(diào)用往往都是不同，譬如系統(tǒng)調(diào)用的定義、功能、參數(shù)列表、返回值等往往都是不一樣的;而對于 C 語言庫函數(shù)來說，由于很多操作系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了 C 語言庫， C 語言庫在不同的操作系統(tǒng)之間其接口定義幾乎是一樣的，所以庫函數(shù)在不同操作系統(tǒng)之間相比于系統(tǒng)調(diào)用具有更好的可移植性。

以上便上它們之間一個大致的區(qū)別， 從實(shí)現(xiàn)者的角度來看，系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)之間有根本的區(qū)別，但從用戶使用角度來看，其區(qū)別并不重要，它們都是 C 語言函數(shù)。 在實(shí)際應(yīng)用編程中，庫函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用都會使用到，所以對于我們來說，直接把它們當(dāng)做是 C 函數(shù)即可，知道你自己調(diào)用的函數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用還是庫函數(shù)即可，不用太過于區(qū)分它們之間的差別，所以應(yīng)用編程簡單點(diǎn)來說就是：開發(fā) Linux 應(yīng)用程序，通過調(diào)用內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用或使用 C 庫函數(shù)來開發(fā)具有相應(yīng)功能的應(yīng)用程序。

為什么不直接使用系統(tǒng)調(diào)用接口了。原因如下：

系統(tǒng)調(diào)用接口功能非常簡單，無法滿足程序的要求

不同操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口不兼容，程序移植時工作量大。

用戶程序編程接口通俗的解釋就是各種庫(最重要的就是C庫)中的函數(shù)。為了提高開發(fā)效率，C庫中實(shí)現(xiàn)了很多函數(shù)。這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)了常用的功能，供程序員調(diào)用。這樣一來，程序員就不需要自己編寫這些代碼。直接調(diào)用庫函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)基本功能，提高了代碼的復(fù)用率。使用用戶程序編程接口好友一個好處就是：程序具有良好的可移植性。幾乎所有的操作系統(tǒng)上都實(shí)現(xiàn)了C庫，所以程序通常只需要重新編譯一下就可以在其它操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

在Linux中，用戶程序編程接口(API)遵循了UNIX中最流行的應(yīng)用編程界面標(biāo)準(zhǔn)———POSIX標(biāo)準(zhǔn)。POSIX標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE和ISO/IEC共同開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)基于當(dāng)時的UNIX實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，描述了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用編程接口(實(shí)際上就是API)，用于保證應(yīng)用程序可以在源代碼一級上在多種操作系統(tǒng)上移植運(yùn)行。這些系統(tǒng)調(diào)用編程接口主要是通過C庫(libc)實(shí)現(xiàn)的。

3.1系統(tǒng)命令

每一個系統(tǒng)命令其實(shí)就是一個可執(zhí)行的程序，這些可執(zhí)行程序的實(shí)現(xiàn)調(diào)用了某些系統(tǒng)調(diào)用。并且，這些可執(zhí)行程序又分為普通用戶可使用的命令和管理員可使用的命令。根據(jù)上述分類，普通用戶可用的命令和管理可用的命令分別被存放于/bin和/sbin目錄下。

系統(tǒng)命令相對于API更高了一層，它實(shí)際上是一個可執(zhí)行程序，它的內(nèi)部引用了用戶編程接口(API)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，它們之間的關(guān)系如下圖：

3.2內(nèi)核函數(shù)

內(nèi)核函數(shù)和用戶空間中函數(shù)并無兩樣，只不過內(nèi)核函數(shù)是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)。雖然系統(tǒng)調(diào)用是用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核的唯一途徑，但是系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)內(nèi)部并不真正實(shí)現(xiàn)其功能，而是通過對內(nèi)核函數(shù)的封裝。也就是說，用戶程序通過某個系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核后，會接著去執(zhí)行這個系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)。這個內(nèi)核函數(shù)也稱為系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)例程。

由于內(nèi)核函數(shù)是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的，因此它必須符合內(nèi)核編程的規(guī)則，比如函數(shù)名以sys_開始，函數(shù)定義時候需加asmlinkage標(biāo)識符等。

四、標(biāo)準(zhǔn)C程序的實(shí)例

首先，C程序調(diào)用API函數(shù)printf;

printf 函數(shù)的調(diào)用引發(fā)了對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用write的執(zhí)行;

write執(zhí)行結(jié)束時的返回值傳遞回用戶程序;

4.1操作系統(tǒng)的模式

(1)雙重模式(DUAL MODE)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有一個特殊的硬件，用于劃分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，至少需要兩種單獨(dú)運(yùn)行模式：

用戶模式(user mode)：執(zhí)行用戶代碼

內(nèi)核模式(kernel mode)：執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼

目的：確保操作系統(tǒng)正確的運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)方式：用一個硬件模式位來表示當(dāng)前模式：0表示內(nèi)核模式，1表示用戶模式

(2)運(yùn)行模式的切換

程序執(zhí)行流剛開始在“用戶模式”運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用的時候，需要從“用戶模式”切換到“內(nèi)核模式”運(yùn)行。

這種模式切換的機(jī)制稱為：陷阱(Trap)機(jī)制。

4.2系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

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