C++ 函数调用和系统调用的区别

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）

 

 

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

 

 

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