系统调用与库函数调用

一、linux结构图简要分析

典型的linux结构如图：
操作系统与内核基本上是相同的，只不过操作系统在内核的基础上还有一些延伸，包括了提供基础服务的组件。操作系统对下通过驱动程序管理硬件。对上的话则暴露出来一些接口，供上层调用，这些接口就叫做系统调用。shell是包裹在linux内核外层的，一个可通过一系列的linux命令对操作系统发出相关指令的人机交互界面。库函数是在系统调用的基础上经过扩展和封装。
可以看到，有两种调用函数的方式。一种是系统调用，系统调用是操作系统的一部分 ，它在内核空间中执行。另一种是库调用，函数库调用是语言或应用程序的一部分，它在用户空间中执行。

二、系统调用和库函数调用
下面来看看这两种方式有什么不同：

实际上，库函数是对系统调用的一层封装，因此在用库函数对文件操作的时候，必然会引起系统调用。也就是说，库函数调用实际上是通过系统调用实现的，例如：C库函数fwrite()就是通过write实现的。
但是库函数在调用的时候有函数调用开销，而系统调用比库函数调用还要慢的多，因为它需要把上下文环境切换到内核模式。
系统调用通常是用于底层文件的访问，例如在驱动程序中对设备文件的直接访问。系统调用与操作系统是相关的，因此一般没有跨操作系统的可移植性。系统调用发生在内核空间，因此如果在用户空间的一般应用程序中使用系统调用来进行文件操作的话，会有从用户空间切换到内核空间的开销。

系统调用：
系统调用提供的函数如open,close,read,write等，需要包含unistd.h头文件。以write为例：它的函数原型是size_t write(int fd,const void *buf,size_t nbytes),其操作对象为文件描述符fd(file descriptor),要写一个文件，必须先以open系统调用打开一个文件，获得所打开文件的文件描述符fd。文件描述符fd是一个整数，它的取值从0开始。linux系统默认分配了3个文件描述符值：0对应stdin(标准输入),1对应stdout(标准输出)，2对应stderr(标准错误)。每当打开一个新的文件，就会分配一个fd，这个fd的取值是当前未分配的文件描述符值的最小值。
例：现在0,1,2,3，4已经被分配，然后3又被关闭，这时候再打开一个文件的话，就会把3分配出去。

库函数调用：
标准C库函数如fopen,fread,fwrite等，需要包含stdio.h头文件。库函数是对系统调用的一层封装，底层还是通过系统调用实现的。每打开一个文件所获得的文件指针FILE都有一个内核空间的文件描述符fd与之对应

问题：既然使用库函数调用也有系统调用的开销，那为什么不直接使用系统调用呢？？？
这是因为，读写文件通常是大量的数据(这种大量是相对于底层驱动的系统调用所实现的数据操作单位而言)，使用库函数调用可以大大减少系统调用的次数。这是因为缓冲区技术。在用户空间和内核空间，对文件操作都使用了缓冲区，当内核缓冲区写满之后或写结束之后才将内核缓冲区内容写到文件对应的硬件媒介中。