Linux系统调用及性能提升

相关操作系统概念

• 操作系统：是用户和系统交互的操作的接口，它是用于管理计算机硬件和软件资源的软件。
• 操作系统内核：操作系统的核心，负责管理进程、内存、设备驱动、文件和网络系统，一套完整的操作系统是由外壳和内核组成的。
• Linux操作系统 ：基于Linux 内核的操作系统。通常由Linux内核、shell（特殊的应用程序，提供运行其他程序的接口，用于人机交互）、文件系统和应用程序。常见的
  有Redhat、Fedora、Centos、Ubuntu和 Android…。

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Linux的运行环境=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，以及内核所维护的数据。
• 用户空间 ： 用户程序的代码和数据。

可以形象的把我们的整个Linux运行环境想象成现实中的银行，银行的工作人员是内核空间，而用户空间就是我们小老百姓，中间的窗口是为了实现我们和银行工作人员进行交流进行业务办理，那么为什么我们要有个隔板呢？那也是为了让银行的内部空间（数据）更加的安全。

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什么是系统调用

系统调用就是我们的银行窗口把你想要干的事传达给银行的工作人员他再帮你完成

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为什么要使用系统调用

• 把用户从底层的硬件编程中解放出来
  与具体的硬件完全隔离，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。
• 极大的提高了系统的安全性
  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事先规定好的，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。
• 使用户程序具有可移植性

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从系统的安全考虑如果我们自己可以随意访问内核的一些数据或者内部结构的话，有时候自己都不知道自己在搞什么可能一不小心就会把系统搞崩，有了一些特殊的通道这也保证的系统的安全。

从可移植性考虑，如果我们直接访问底层的一些硬件编写一些程序，那么以后我们如果要在另一台机器上运行该程序但硬件不一样怎么办？我们难道还要重新对相应模块进行程序的改动。

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实现系统调用

软件中断： 它是通过软件指令触发的中断。Linux系统内核响应软件中断，从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用。

系统调用控制程序执行软件中断的过程如下：

• 在进程的内核态堆栈中保存大多数寄存器的内容(即保存恢复进程到用户态执行所需要的上下文，用户态的代码在执行的时候可能要切换成内核态进行，我们就要去记录下用户态是执行到哪转入的，到时候内核态的程序执行完了还要返回来)

• 根据用户态传递的系统调用号，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（返回用户态）

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• 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。
• 系统调用表：
  内核维护系统调用表，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。
  

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实现系统调用的方法

可以理解成我们调用glibc函数时进行系统调用，会先转成syscall再与内核进行交流（转成syscall得到系统调用号再与系统调用表进行偏移得到API进行的系统调用操作）

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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在多数情况下表示内核不能满足进程的请求

• Libc中定义的errno变量包含特定的出错码

实例：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
        int rc;
		//修改权限
        rc = chmod("./test.txt", S_IWUSR | S_IWGRP | S_IWOTH );
        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("chmod success!\n");
        return 0;
}

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Syscall 直接调用

函数原型： long int syscall (long int sysno, …)

传参说明：

sysno 是系统调用号，唯一标识系统调用号，详见 sys/syscall.h 

... 为剩余可变长的参数，为系统调用所带的参数，根据系统调用的不同，可带0~5个不等的参数，
     如果超过特定系统调用能带的参数，多余的参数被忽略。

返回值:
该函数返回值为特定系统调用的返回值，在系统调用成功之后你可以将该返回值转化为特定的类型，如果系统调用失败则返回 -1，错误代码存放在 errno 中。
返回值为long int 是为了能够适用更多的类型，有时候系统调用完返回的是文件句柄，也有的是返回地址(char*)，这都是根据系统调用的需要）

实例：

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
        int rc;
        rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", S_IROTH | S_IRGRP | S_IRUSR);

        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("chmod succeess!\n");
        return 0;
}

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glic和Syscall的比较

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如何高效执行Linux系统调用

频繁使用底层系统调用会影响程序的执行效率！

罪魁祸首 - 用户态和内核态的切换

• 保存用户进程现场
• 合法性检查 （如内存）
• 参数传递
• 恢复现场

1. 能使用glibc中的函数就用glibc的函数，记那个Syscall的函数还是有点累
2. 如果在有机会的情况下能尽量少用系统调用就少用（比如要把一个数据写入一个大文件中，可以一次写256字节就别一次就写16字节，这样就要多用了几次系统调用）

感谢您看到了这，如果该文章哪里有错误或者您有不一样理解的话，希望您可以提出来，谢谢‍