linux-dev-系统调用

概念

系统调用

• 系统调用是操作系统提供给用户程序调用系统服务（硬件设备）的一组特殊接口，一个内核与用户空间程序交互的接口。它好比一个信使，把用户进程的请求传达给内核，待内核把请求处理完毕后再将处理结果送回给用户空间。
• 系统调用把用户从底层的硬件编程中解放出来，用户不需要面向具体的硬件编码，降低了开发的复杂性和难度，并且使用户程序具有可移植性，兼容不同平台不同硬件。
• 系统调用的封装，将用户进程隔离实现内核“保护”，用户进程不允许访问内核数据，也无法使用内核函数。用户访问内核的路径是实现规定好的，只能从规定位置进入内核，而不准许肆意跳入内核。有了这样的陷入内核的统一访问路径限制才能保证内核安全无误，从而极大的提高了系统的安全性。
• 系统调用通过软中断实现。
• 频繁使用底层系统调用会因为用户态和内核态的切换（①保存用户进程现场 ②内存等合法性的检查 ③参数传递 ④回复现场）影响程序的执行效率。

系统调用

linux的运行空间

Linux的运行空间 = 内核空间 + 用户空间

• 内核空间
  存放的是整个内核代码和所有内核模块，已经内核所维护的数据。

• 用户空间
  用户程序的代码和数据

运行空间

软件中断

软件中断是通过软件指令触发的中断，linux系统内核在响应软件中断时，会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用。

软件中断执行过程

• 在进程的内核态堆栈中保存大多数寄存器的内容（即保存用于回复进程到用户太执行所需的上下文）
• 根据用户态传递的系统调用好，确定系统调用的执行程序
• 调用相应的执行程序来处理系统调用
• 从系统调用返回

关键要素

系统调用号

每个系统调用被赋予一个系统调用号，与具体的系统调用相关联。
位于/usr/include/asm/unistd.h

#ifndef _ASM_X86_UNISTD_64_H
#define _ASM_X86_UNISTD_64_H 1

#define __NR_read 0
#define __NR_write 1
#define __NR_open 2
#define __NR_close 3
#define __NR_stat 4
#define __NR_fstat 5
#define __NR_lstat 6
#define __NR_poll 7
#define __NR_lseek 8
#define __NR_mmap 9
#define __NR_mprotect 10
#define __NR_munmap 11
#define __NR_brk 12
#define __NR_rt_sigaction 13
#define __NR_rt_sigprocmask 14
#define __NR_rt_sigreturn 15
#define __NR_ioctl 16

// ....

系统调用表

系统调用表由内核维护，保存系统调用函数的起始地址，系统调用号对应系统调用在调用表中的偏移量。

系统调用表

系统调用实现

glibc

glibc实现操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。

• 每个特定的系统调用对应了至少一个glibc封装的库函数
• 多个api也可能只对应同一个系统调用
• 返回值-1在多数情况下标识内核不能满足进程要求
• libc中定义的errorno变量包含特定的错误码

glibc封装

调用syscall

// @sysno:系统调用好
// @...可变参数，系统调用所带的参数
int syscall(int sysno, ...);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main()
{
	int rc;
	rc = syscall(SYS_chmod, "./test.txt", S_IROTH | S_IRGRP | S_IRUSR);

	if (rc == -1)
		fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
	else
		printf("chmod succeess!\n");

	return 0;
}

比较

方式	优势	劣势
glibc函数库	只需了解glibc提供的api的原型，无需知道更多的细节，可移植性好	功能限制，没有封装的调用无法使用
syscall调用	可定制自己的系统调用	使用不方便

系统调用列表

进程控制

函数	描述
fork	创建一个新进程
clone	按指定条件创建子进程
execve	运行可执行文件
exit	中止进程
_exit	立即中止当前进程
getdtablesize	进程所能打开的最大文件数
getpgid	获取指定进程组标识号
setpgid	设置指定进程组标志号
getpgrp	获取当前进程组标识号
setpgrp	设置当前进程组标志号
getpid	获取进程标识号
getppid	获取父进程标识号
getpriority	获取调度优先级
setpriority	设置调度优先级
modify_ldt	读写进程的本地描述表
nanosleep	使进程睡眠指定的时间
nice	改变分时进程的优先级
pause	挂起进程，等待信号
personality	设置进程运行域
prctl	对进程进行特定操作
ptrace	进程跟踪
sched_get_priority_max	取得静态优先级的上限
sched_get_priority_min	取得静态优先级的下限
sched_getparam	取得进程的调度参数
sched_getscheduler	取得指定进程的调度策略
sched_rr_get_interval	取得按RR算法调度的实时进程的时间片长度
sched_setparam	设置进程的调度参数
sched_setscheduler	设置指定进程的调度策略和参数
sched_yield	进程主动让出处理器,并将自己等候调度队列队尾
vfork	创建一个子进程，以供执行新程序，常与execve等同时使用
wait	等待子进程终止
wait3	参见wait
waitpid	等待指定子进程终止
wait4	参见waitpid
capget	获取进程权限
capset	设置进程权限
getsid	获取会晤标识号
setsid	设置会晤标识号

文件系统控制

函数	描述
fcntl	文件控制
open	打开文件
creat	创建新文件
close	关闭文件描述字
read	读文件
write	写文件
readv	从文件读入数据到缓冲数组中
writev	将缓冲数组里的数据写入文件
pread	对文件随机读
pwrite	对文件随机写
lseek	移动文件指针
_llseek	在64位地址空间里移动文件指针
dup	复制已打开的文件描述字
dup2	按指定条件复制文件描述字
flock	文件加/解锁
poll	I/O多路转换
truncate	截断文件
ftruncate	参见truncate
umask	设置文件权限掩码
fsync	把文件在内存中的部分写回磁盘
access	确定文件的可存取性
chdir	改变当前工作目录
fchdir	参见chdir
chmod	改变文件方式
fchmod	参见chmod
chown	改变文件的属主或用户组
fchown	参见chown
lchown	参见chown
chroot	改变根目录
stat	取文件状态信息
lstat	参见stat
fstat	参见stat
statfs	取文件系统信息
fstatfs	参见statfs
readdir	读取目录项
getdents	读取目录项
mkdir	创建目录
mknod	创建索引节点
rmdir	删除目录
rename	文件改名
link	创建链接
symlink	创建符号链接
unlink	删除链接
readlink	读符号链接的值
mount	安装文件系统
umount	卸下文件系统
ustat	取文件系统信息
utime	改变文件的访问修改时间
utimes	参见utime
quotactl	控制磁盘配额

系统控制

函数	描述
ioctl	I/O总控制函数
_sysctl	读/写系统参数
acct	启用或禁止进程记账
getrlimit	获取系统资源上限
setrlimit	设置系统资源上限
getrusage	获取系统资源使用情况
uselib	选择要使用的二进制函数库
ioperm	设置端口I/O权限
iopl	改变进程I/O权限级别
outb	低级端口操作
reboot	重新启动
swapon	打开交换文件和设备
swapoff	关闭交换文件和设备
bdflush	控制bdflush守护进程
sysfs	取核心支持的文件系统类型
sysinfo	取得系统信息
adjtimex	调整系统时钟
alarm	设置进程的闹钟
getitimer	获取计时器值
setitimer	设置计时器值
gettimeofday	取时间和时区
settimeofday	设置时间和时区
stime	设置系统日期和时间
time	取得系统时间
times	取进程运行时间
uname	获取当前UNIX系统的名称、版本和主机等信息
vhangup	挂起当前终端
nfsservctl	对NFS守护进程进行控制
vm86	进入模拟8086模式
create_module	创建可装载的模块项
delete_module	删除可装载的模块项
init_module	初始化模块
query_module	查询模块信息
*get_kernel_syms	取得核心符号,已被query_module代替

内存管理

函数	描述
brk	改变数据段空间的分配
sbrk	参见brk
mlock	内存页面加锁
munlock	内存页面解锁
mlockall	调用进程所有内存页面加锁
munlockall	调用进程所有内存页面解锁
mmap	映射虚拟内存页
munmap	去除内存页映射
mremap	重新映射虚拟内存地址
msync	将映射内存中的数据写回磁盘
mprotect	设置内存映像保护
getpagesize	获取页面大小
sync	将内存缓冲区数据写回硬盘
cacheflush	将指定缓冲区中的内容写回磁盘

网络管理

函数	描述
getdomainname	取域名
setdomainname	设置域名
gethostid	获取主机标识号
sethostid	设置主机标识号
gethostname	获取本主机名称
sethostname	设置主机名称

socket控制

函数	描述
socketcall	socket系统调用
socket	建立socket
bind	绑定socket到端口
connect	连接远程主机
accept	响应socket连接请求
send	通过socket发送信息
sendto	发送UDP信息
sendmsg	参见send
recv	通过socket接收信息
recvfrom	接收UDP信息
recvmsg	参见recv
listen	监听socket端口
select	对多路同步I/O进行轮询
shutdown	关闭socket上的连接
getsockname	取得本地socket名字
getpeername	获取通信对方的socket名字
getsockopt	取端口设置
setsockopt	设置端口参数
sendfile	在文件或端口间传输数据
socketpair	创建一对已联接的无名socket

用户管理

函数	描述
getuid	获取用户标识号
setuid	设置用户标志号
getgid	获取组标识号
setgid	设置组标志号
getegid	获取有效组标识号
setegid	设置有效组标识号
geteuid	获取有效用户标识号
seteuid	设置有效用户标识号
setregid	分别设置真实和有效的的组标识号
setreuid	分别设置真实和有效的用户标识号
getresgid	分别获取真实的,有效的和保存过的组标识号
setresgid	分别设置真实的,有效的和保存过的组标识号
getresuid	分别获取真实的,有效的和保存过的用户标识号
setresuid	分别设置真实的,有效的和保存过的用户标识号
setfsgid	设置文件系统检查时使用的组标识号
setfsuid	设置文件系统检查时使用的用户标识号
getgroups	获取后补组标志清单
setgroups	设置后补组标志清单

进程间通信

函数	描述
ipc	进程间通信总控制调用
sigaction	设置对指定信号的处理方法
sigprocmask	根据参数对信号集中的信号执行阻塞/解除阻塞等操作
sigpending	为指定的被阻塞信号设置队列
sigsuspend	挂起进程等待特定信号
signal	参见signal
kill	向进程或进程组发信号
*sigblock	向被阻塞信号掩码中添加信号,已被sigprocmask代替
*siggetmask	取得现有阻塞信号掩码,已被sigprocmask代替
*sigsetmask	用给定信号掩码替换现有阻塞信号掩码,已被sigprocmask代替
*sigmask	将给定的信号转化为掩码,已被sigprocmask代替
*sigpause	作用同sigsuspend,已被sigsuspend代替
sigvec	为兼容BSD而设的信号处理函数,作用类似sigaction
ssetmask	ANSI C的信号处理函数,作用类似sigaction
msgctl	消息控制操作
msgget	获取消息队列
msgsnd	发消息
msgrcv	取消息
pipe	创建管道
semctl	信号量控制
semget	获取一组信号量
semop	信号量操作
shmctl	控制共享内存
shmget	获取共享内存
shmat	连接共享内存
shmdt	拆卸共享内存