系统中的库函数与系统调用的区别与联系
Linux 下对文件操作有两种方式:
系统调用(system call)
库函数调用(Libraryfunctions)
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。
1、系统调用
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。
2、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。
※函数库调用 VS 系统调用
函数库调用
在所有的 ANSI C 编译器版本中,C 库函
数是相同的
它调用函数库中的一段程序(或函数)
与用户程序相联系
在用户地址空间执行
它的运行时间属于“用户时间”
系统调用
各个操作系统的系统调用是不同的
它调用系统内核的服务
是操作系统的一个入口点
在内核地址空间执行
它的运行时间属于“系统”时间
需要在用户空间和内核上下文环境间
属于过程调用,调用开销较小
切换,开销较大
在 C 函数库 libc 中有大约 300 个函数 在 UNIX 中大约有 90 个系统调用
典型的 C 函数库调用:system fprintf 典型的系统调用:chdir fork write
malloc
brk;