1.3_3 系统调用

1.3_3 系统调用

（一）什么是系统调用

回顾：操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

  “系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

（二）系统调用与库函数的区别

  在我们写程序时，实际上是可以直接通过汇编语言去进行系统调用，来请求操作系统服务的，如上图。

  但是，现在更多的是使用高级语言来编程。

  我们一般会使用高级语言提供的库函数来进行编程，如下图。这些库函数在底层也可能会用到系统调用，来请求操作系统的服务。

  可见，系统调用是比库函数更为底层的接口。

注意：

  库函数的底层不是一定会涉及系统调用的。

  有可能涉及系统调用，如：“创建一个新文件”的库函数。

  也可能不涉及系统调用，如：“取绝对值”的库函数。

（三）为什么系统调用是必须的？

举例

  比如打印文件。如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，打印机交替地处理两个进程发来的打印请求，那么打印的内容就混在一起了，这显然不是我们想要的结果。

  由于系统当中有各种各样的并发的进程，而这些并发的进程又需要共享地使用类似于打印机设备这样的共享资源。实际上，这样的共享资源是需要被各个进程互斥地共享的。

  怎么实现对共享资源的互斥访问呢？

  **解决方法：**由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用”，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

（四）什么功能要用到系统调用？

  应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

（五）系统调用的过程

  如果一个应用程序想要进行系统调用，它在背后需要做一些什么事情？

  首先，应用程序运行在用户态，其中各个指令会被CPU依次执行。

  当它想要发出系统调用的时候，它要用传参指令给CPU的寄存器传递一些必要的参数。

  例如，在某个寄存器中，存放的“参数1”，是用来指明此次要进行“哪种系统调用”的。（例如Linux系统中的“fork”系统调用）

  传递参数的指令可能有多条，取决于本次系统调用需要传递几个参数。操作系统会根据这些参数，判断这个应用程序到底想要什么样的服务。

  当传参指令都执行好以后，应用程序会再执行一条特殊的指令——陷入指令（这个在上一节中已经提到过）。

  陷入指令会引发内中断，因此CPU会转而执行相应的中断处理程序——即系统调用的入口程序。

  “系统调用入口程序”实际上也就是“中断处理程序”，本质是一回事。只不过它处理的是“由陷入程序引发的内中断”。

  “系统调用入口程序”通过CPU寄存器中的参数（刚刚提到的），来判断此时要去执行哪种系统调用，并转而执行相应的系统调用程序（如："fork"系统调用的处理程序）。

---

高级语言调用库函数（涉及系统调用）的过程：

过程：

传递相关系统调用所需参数 —> 执行陷入指令（用户态下执行） —> 执行相应的内核程序处理系统调用（核心态下执行） —> 返回应用程序。

注意：

  1.陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态。

陷入指令是一种特殊的指令，但并不是特权指令，仍然是一个非特权指令。

  2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行。

注意：陷入指令 = trap指令 = 访管指令。

总结