linux系统调用
一、系统编程概述
操作系统的职责：操作系统用来管理所有的资源，并将不同的设备和不同的程序关联起来。
Linux系统编程：在有操作系统的环境下编程，并使用操作系统提供的系统调用及各种库，对系统资源进行访问。系统编程主要就是为了让用户能够更好和更方便的操作硬件设备，并且对硬件设备也起到保护作用，我们所写的程序，本质就是对硬件设备的操作，所以操作系统提供接口可以对硬件进行操作，这就是系统编程。
二、系统调用概述
本质都是要对硬件设备进行操作，但是linux操作系统在硬件之上设置了内核，也就是只有内核才可以直接操作硬件设备，如果想操作内核，需要调用内核的系统调用，如果要操作内核中的系统调用，有三种方式：
第一种：shell，用户通过shell命令（ls、pwd等），被shell解释器解释后传给内核然后进行操作内核的系统调用。
第二种：库函数，用户通过应用层库函数的接口，比如fread、fwrite等函数对内核的系统调用进行操作。
第三种：应用层系统调用，它可以直接对内核的系统调用进行操作。比如read、write等函数。
系统调用是操作系统提供给用户程序的一组“特殊”函数接口，Linux的不同版本提供了两三百个系统调用。用户程序可以通过这组接口获得操作系统（内核）提供的服务。
系统调用按照功能逻辑大致可分为:
进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、内存管理、网络管理、socket控制、用户管理。
系统调用的返回值：
通常，用一个负的返回值来表明错误，返回一个0值表明成功。错误信息存放在全局变量errno中，用户可用perror函数打印出错信息。
三、系统调用I/O函数
3.1 文件描述符
文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符。文件描述符用来指定已打开的文件。
在系统调用（文件IO）中，文件描文述符对件起到标识作用，如果要操作文件，就是对文件描述符的操作。
当一个程序运行或者一个进程开启时，系统会自动创建三个文件描述符：
0 标准输入
1 标准输出
2 标准输出出错
系统中也可以使用一些宏
#define STDIN_FILENO 0 //标准输入的文件描述符 #define STDOUT_FILENO 1 //标准输出的文件描述符 #define STDERR_FILENO 2 //标准错误的文件描述符
文件IO的文件描述符和标准IO的文件指针的对应关系：
文件IO 标准IO
0 stdin
1 stdout
2 stderr
如果自己打开文件，会返回文件描述符，而文件描述符一般按照从小到大依次创建的顺序。
3.2 open函数
打开一个文件：
#include
#include
#include
当文件存在时使用：
int open(const char *pathname, int flags);
当文件不存在时使用：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
参数：
pathname：文件的路径及文件名。
flags：open 函数的行为标志。
mode：文件权限(可读、可写、可执行)的设置。
返回值：
成功返回打开的文件描述符。
失败返回-1，可以利用 perror 去查看原因。 3.2.1案例
flags的取值是取决于该文件已经存在的情况下，打开时的权限，如果不存在则作废，创建新的文件需要通过mode值进行新创建的文件权限的设置。
grep -nr “ 想要查找的宏定义”，可以查看宏定义的值
3.2.2文件IO和标准IO对比
3.2.3函数调用出错后输出错误信息
第一种：
通过全局变量 errno可显示错误码
要加上头文件#include
errno是一个全局变量，当函数调用失败后，可以通过errno获取错误码
第二种：
通过一个函数 perror
要加上头文件#include
void perror(const char *s);
功能：输出函数调用失败的错误信息
参数：
s：打印错误信息的提示消息
返回值：无
案例：
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char const *argv[])
{
//使用open函数打开或者创建一个文件
int fd;
fd = open("file.txt", O_RDONLY);
if(fd == ‐1)
{
//通过全局变量errno打印错误码
//注意需要添加头文件errno.h
//printf("errno = %d\n", errno);
//通过perror函数输出函数调用失败的错误信息
perror("fail to open");
return ‐1;
}
printf("fd = %d\n", fd);
return 0;
} 执行结果：
perror对应的执行结果:
errno对应的执行结果:
部分错误码对照表(需要进入图中的文件目录):
3.3 close函数
#include （注意别忘记头文件）
int close(int fd);
功能：关闭一个文件描述符
参数：
fd：指定文件的文件描述符，open函数的返回值
返回值：
成功：0
失败：‐1 3.3.1案例
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char const *argv[])
{
int fd;
fd = open("file.txt", O_RDONLY);
if(fd == ‐1)
{
perror("fail to open");
return ‐1;
}
printf("fd = %d\n", fd);
//当不对文件进行任何操作时，就会关闭文件描述符
//使用close函数关闭文件描述符
//一旦关闭了文件描述符，就不能再通过原有的文件描述符对文件进行操作
close(fd);
return 0;
} 3.3.2 文件描述符的相关问题
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char const *argv[])
{
//测试1：一个进程（一个程序的运行）创建的文件描述符的个数
//一个程序运行的时候最多可以创建2014个文件描述符，0~1023
#if 0
int fd;
while (1)
{
fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
if(fd == ‐1)
{
perror("fail to open");
return ‐1;
}
printf("fd = %d\n", fd);
}
#endif
//测试2：文件描述符值的规律
//文件描述符按照从小到大的顺序依次创建
//如果中途有文件描述符被关闭了，则再创建的文件描述符会先补齐之前的，然后依次递增创建
//注意：不要认为最后创建的文件描述符一定是最大的
#if 1
int fd1, fd2, fd3, fd4;
fd1 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
fd2 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
fd3 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
fd4 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
printf("fd1 = %d\n", fd1);
printf("fd2 = %d\n", fd2);
printf("fd3 = %d\n", fd3);
printf("fd4 = %d\n", fd4);
close(fd2);
int fd5, fd6;
fd5 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
fd6 = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
printf("fd5 = %d\n", fd5);
printf("fd6 = %d\n", fd6);
#endif
return 0;
} 执行结果：
测试一：
测试二：
3.4 write函数
#include
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能：向文件写入数据
参数：
fd：指定的文件描述符
buf：要写入的数据首地址
count：要写入的数据的长度
返回值：
成功：实际写入的字节数
失败：‐1 我们在write之后并没有直接read，那是因为read需要文件内的，光标在我们所要读取的内容之前（这里为文件的头部），而write后的光标总是在文件的尾部，所以直接在write之后读取的话，不会读取到内容，返回值为0。但是当打开一个文件时，光标位置在文件首部，此时写入write会覆盖掉文件本身的内容。但是先关闭文件（close）再打开文件（open）后，光标就在文件的头部，这样才能正确的读取。但是这个操作光标的方法不仅土得掉渣，还不灵活，这就需要光标操作函数 lseek()。
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);光标的偏移量
fd : 文件描述符
Offffset ：偏移量
Whence :
SEEK_SET: 参数offffset即为新的读写位置
SEEK_CUR: 以目前的读写位置往后增加offffset个偏移量
SEEK_END: 将读写位置指向文件尾后再增加offffset个位移量，当whence值为SEEK_CUR或SEEK_END时，
参数offffset允许负值的出现。
返回值： 文件读写距离文件开头的字节大小，出错返回 -13.4.1 向终端写入数据
执行结果：
3.4.2 向文件写入数据
执行结果：
3.5 read函数
#include
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
功能：从文件中读取数据
参数：
fd：指定的文件描述符
buf：保存读取到的数据（开辟内存的首地址）
count：最大一次读取多少个字节
返回值：
成功：实际读取的字节数
失败：‐1
注意：如果读取到文件末尾，返回0 3.5.1 从终端中读取数据
执行结果：
3.5.2 从文件中读取数据
执行结果：
3.6 remove函数
#include
int remove(const char *pathname);
功能：删除指定文件
参数：
pathname：包含路径的文件名
返回值：
成功返回0。
失败返回‐1 案例：
执行结果：
四、系统调用和库函数
库函数由两类函数组成：
（1）不需要调用系统调用：不需要切换到内核空间即可完成函数全部功能，并且将结果反馈给应用程序，如strcpy、bzero等字符串操作函数。
（2）需要调用系统调用需要切换到内核空间，这类函数通过封装系统调用去实现相应功能，如printf、fread等。
库函数与系统调用的关系：
系统提供的很多功能都必须通过系统调用才能实现。
系统调用是需要时间的，程序中频繁的使用系统调用会降低程序的运行效率
原因：当运行内核代码时，CPU工作在内核态，在系统调用发生前需要保存用户态的栈和内存环境，然后转入内核态工作。系统调用结束后，又要切换回用户态。这种环境的切换会消耗掉许多时间。
库函数访问文件的时候根据需要，设置不同类型的缓冲区（相当于先排好队，不是一次次的进入系统调用，而是全部排好队之后在统一进入系统调用），从而减少了直接调用IO系统调用的次数，提高了访问效率。
总结：大多数库函数的本质也是系统调用，只不过库函数有了缓冲区，用于减少系统调用的次数。