系统调用的介绍
一、系统调用的作用
- 提供接口：系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口，通过它，用户程序可以请求操作系统提供的服务和资源。
- 状态切换：系统调用是使CPU状态从用户态陷入内核态的唯一途径。在用户态下，程序无法直接访问系统硬件和内核资源，而系统调用提供了一个安全、受控的方式来实现这种访问。
二、系统调用的类型
系统调用通常根据其功能被分为以下几类：
- 进程控制类：用于进程创建、终止、等待、替换、进程数据段大小改变及进程标识符或指定进程属性获得等。
- 文件操纵类：用于文件创建、打开、关闭、读/写及文件读写指针移动和属性修改，目录创建及索引结点建立等。
- 进程通信类：用于实现通信机制，如消息传递、共享存储区及信息量集机制等。
- 信息维护类：用于实现日期、时间及系统相关信息设置和获得。
三、系统调用的执行过程
系统调用的执行过程通常包括以下几个步骤：
- 硬件接收信号：当用户程序发起系统调用时，硬件接收到一个特殊的指令（如陷阱指令或中断指令），并立即保存当前执行环境的现场信息。
- 查找中断向量表：硬件查找中断向量表，找到与系统调用对应的入口地址，并将CPU的控制权交给系统调用的总入口程序。
- 保存现场并查找系统调用库：系统调用总入口程序保存当前进程的现场信息，将参数保存在内核的堆栈中，并查找系统调用库以找到对应的系统调用处理程序。
- 执行系统调用处理程序：找到对应的系统调用处理程序后，CPU开始执行该程序，完成用户请求的服务。
- 恢复现场并返回用户程序：系统调用处理程序执行完成后，恢复之前保存的现场信息，并将控制权交还给用户程序，继续执行用户程序的下一条指令。
四、系统调用的实现机制
系统调用的实现机制主要依赖于中断/异常机制和系统调用表。
- 中断/异常机制：系统调用实际上是通过中断/异常机制来实现的。当用户程序发起系统调用时，硬件会产生一个中断信号，并通过中断向量表找到系统调用的入口地址。
- 系统调用表：系统内核内部维护一张全局表（如sys_call_table），表中的每个条目记录着每个系统调用在内核代码中的实现入口地址。当系统调用处理程序被调用时，它会根据系统调用号（即功能号）在系统调用表中找到对应的实现代码入口地址，并执行相应的系统调用。
五、系统调用与库函数的区别
虽然普通应用程序可以直接进行系统调用，但在实际应用中，通常是在应用程序中先加载C函数库或API接口，由这些库或接口去申请系统调用。这是因为系统调用通常比较底层和复杂，直接使用可能会增加编程难度和出错率。而库函数则提供了更高层次、更易于使用的接口来封装系统调用的细节。