Linux系统调用和库函数调用

Linux下对文件操作有两种方式：系统调用（system call）和库函数调用（Library functions）。可以参考《Linux程序设计》（英文原版为《Beginning Linux Programming》，作者是Neil Matthew和Richard Stones）第三章: Working with files。系统调用实际上就是指最底层的一个调用，在linux程序设计里面就是底层调用的意思。面向的是硬件。而库函数调用则面向的是应用开发的，相当于应用程序的api,采用这样的方式有很多种原因，第一：双缓冲技术的实现。第二，可移植性。第三，底层调用本身的一些性能方面的缺陷。第四：让api也可以有了级别和专门的工作面向。

 

一、系统调用

        顾名思意，系统调用说的是操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口。用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的服务，比如用户可以通过文件系统相关的调用请求系统打开文件、关闭文件或读写文件，可以通过时钟相关的系统调用获得系统时间或设置系统时间等。

从逻辑上来说，系统调用可被看成是一个内核与用户空间程序交互的接口——它好比一个中间人，把用户进程的请求传达给内核，待内核把请求处理完毕后再将处理结果送回给用户空间。

       系统服务之所以需要通过系统调用提供给用户空间的根本原因是为了对系统“保护”，因为我们知道Linux的运行空间分为内核空间与用户空间，它们各自运行在不同的级别中，逻辑上相互隔离。所以用户进程在通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用户用空间函数。比如我们熟悉的“hello world”程序（执行时）就是标准的用户空间进程，它使用的打印函数printf就属于用户空间函数，打印的字符“hello world”字符串也属于用户空间数据。

       系统调用提供的函数如open, close, read, write, ioctl等，需包含头文件unistd.h。以write为例：其函数原型为 size_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes)，其操作对象为文件描述符或文件句柄fd(file descriptor)，要想写一个文件，必须先以可写权限用open系统调用打开一个文件，获得所打开文件的fd，例如 fd=open(\"/dev/video\", O_RDWR)。fd是一个整型值，每新打开一个文件，所获得的fd为当前最大fd加1。Linux系统默认分配了3个文件描述符值：0－standard input，1－standard output，2－standard error。

系统调用通常用于底层文件访问（low-level file access），例如在驱动程序中对设备文件的直接访问。

系统调用是操作系统相关的，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，会有用户空间到内核空间切换的开销。事实上，即使在用户空间使用库函数来对文件进行操作，因为文件总是存在于存储介质上，因此不管是读写操作，都是对硬件（存储器）的操作，都必然会引起系统调用。也就是说，库函数对文件的操作实际上是通过系统调用来实现的。例如C库函数fwrite()就是通过write()系统调用来实现的。

      这样的话，使用库函数也有系统调用的开销，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），这时，使用库函数就可以大大减少系统调用的次数。这一结果又缘于缓冲区技术。在用户空间和内核空间，对文件操作都使用了缓冲区，例如用fwrite写文件，都是先将内容写到用户空间缓冲区，当用户空间缓冲区满或者写操作结束时，才将用户缓冲区的内容写到内核缓冲区，同样的道理，当内核缓冲区满或写结束时才将内核缓冲区内容写到文件对应的硬件媒介。

 

二、库函数调用

      标准C库函数提供的文件操作函数如fopen, fread, fwrite, fclose, fflush, fseek等，需包含头文件stdio.h。以fwrite为例，其函数原型为size_t fwrite(const void *buffer, size_t size, size_t item_num, FILE *pf)，其操作对象为文件指针FILE *pf，要想写一个文件，必须先以可写权限用fopen函数打开一个文件，获得所打开文件的FILE结构指针pf，例如pf=fopen(\"~/proj/filename\", \"w\")。实际上，由于库函数对文件的操作最终是通过系统调用实现的，因此，每打开一个文件所获得的FILE结构指针都有一个内核空间的文件描述符fd与之对应。同样有相应的预定义的FILE指针：stdin－standard input，stdout－standard output，stderr－standard error。

库函数调用通常用于应用程序中对一般文件的访问。

库函数调用是系统无关的，因此可移植性好。

由于库函数调用是基于C库的，因此也就不可能用于内核空间的驱动程序中对设备的操作。

 

三、系统调用、用户编程接口（API）、系统命令、和内核函数的关系

      系统调用并非直接和程序员或系统管理员打交道，它仅仅是一个通过软中断机制（我们后面讲述）向内核提交请求，获取内核服务的接口。而在实际使用中程序员调用的多是用户编程接口——API，而管理员使用的则多是系统命令。

      用户编程接口其实是一个函数定义，说明了如何获得一个给定的服务，比如read()、malloc()、free（）、abs()等。它有可能和系统调用形式上一致，比如read()接口就和read系统调用对应，但这种对应并非一一对应，往往会出现几种不同的API内部用到统一个系统调用，比如malloc()、free（）内部利用brk( )系统调用来扩大或缩小进程的堆；或一个API利用了好几个系统调用组合完成服务。更有些API甚至不需要任何系统调用——因为它不必需要内核服务，如计算整数绝对值的abs（）接口。

 

四、函数库调用 VS 系统调用

 

系统调用：它是核心态开放给用户态的接口，以软中断实现。
函数调用：它是用户态层面的概念，与核心态无关。