什么是系統(tǒng)調(diào)用？

Linux內(nèi)核中設(shè)置了一組用于實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的子程序，稱為系統(tǒng)調(diào)用。用戶可以通過系統(tǒng)調(diào)用命令在自己的應(yīng)用程序中調(diào)用它們。從某種角度來看，系統(tǒng)調(diào)用和普通的函數(shù)調(diào)用非常相似。區(qū)別僅僅在于，系統(tǒng)調(diào)用由操作系統(tǒng)核心提供，運行于核心態(tài)；而普通的函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫或用戶自己提供，運行于用戶態(tài)。二者在使用方式上也有相似之處，在下面將會提到。

隨Linux核心還提供了一些C語言函數(shù)庫，這些庫對系統(tǒng)調(diào)用進行了一些包裝和擴展，因為這些庫函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用的關(guān)系非常緊密，所以習(xí)慣上把這些函數(shù)也稱為系統(tǒng)調(diào)用。

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Linux中共有多少個系統(tǒng)調(diào)用？

這個問題可不太好回答，就算讓Linus Torvaldz本人也不見得一下子就能說清楚。

在2.4.4版內(nèi)核中，狹義上的系統(tǒng)調(diào)用共有221個，你可以在<內(nèi)核源碼目錄>/include/asm-i386/unistd.h中找到它們的原本，也可以通過命令"man 2 syscalls"察看它們的目錄（man pages的版本一般比較老，可能有很多最新的調(diào)用都沒有包含在內(nèi)）。廣義上的系統(tǒng)調(diào)用，也就是以庫函數(shù)的形式實現(xiàn)的那些，它們的個數(shù)從來沒有人統(tǒng)計過，這是一件吃力不討好的活，新內(nèi)核不斷地在推出，每一個新內(nèi)核中函數(shù)數(shù)目的變化根本就沒有人在乎，至少連內(nèi)核的修改者本人都不在乎，因為他們從來沒有發(fā)布過一個此類的聲明。

隨本文一起有一份經(jīng)過整理的列表，它不可能非常全面，但常見的系統(tǒng)調(diào)用基本都已經(jīng)包含在內(nèi)，那里面只有不多的一部分是你平時用得到的，本專欄將會有選擇的對它們進行介紹。

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為什么要用系統(tǒng)調(diào)用？

實際上，很多已經(jīng)被我們習(xí)以為常的C語言標準函數(shù)，在Linux平臺上的實現(xiàn)都是靠系統(tǒng)調(diào)用完成的，所以如果想對系統(tǒng)底層的原理作深入的了解，掌握各種系統(tǒng)調(diào)用是初步的要求。進一步，若想成為一名Linux下編程高手，也就是我們常說的Hacker，其標志之一也是能對各種系統(tǒng)調(diào)用有透徹的了解。

即使除去上面的原因，在平常的編程中你也會發(fā)現(xiàn)，在很多情況下，系統(tǒng)調(diào)用是實現(xiàn)你的想法的簡潔有效的途徑，所以有可能的話應(yīng)該盡量多掌握一些系統(tǒng)調(diào)用，這會對你的程序設(shè)計過程帶來意想不到的幫助。

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系統(tǒng)調(diào)用是怎么工作的？

一般的，進程是不能訪問內(nèi)核的。它不能訪問內(nèi)核所占內(nèi)存空間也不能調(diào)用內(nèi)核函數(shù)。CPU硬件決定了這些（這就是為什么它被稱作"保護模式"）。系統(tǒng)調(diào)用是這些規(guī)則的一個例外。其原理是進程先用適當(dāng)?shù)闹堤畛浼拇嫫?，然后調(diào)用一個特殊的指令，這個指令會跳到一個事先定義的內(nèi)核中的一個位置（當(dāng)然，這個位置是用戶進程可讀但是不可寫的）。在Intel CPU中，這個由中斷0x80實現(xiàn)。硬件知道一旦你跳到這個位置，你就不是在限制模式下運行的用戶，而是作為操作系統(tǒng)的內(nèi)核--所以你就可以為所欲為。

進程可以跳轉(zhuǎn)到的內(nèi)核位置叫做sysem_call。這個過程檢查系統(tǒng)調(diào)用號，這個號碼告訴內(nèi)核進程請求哪種服務(wù)。然后，它查看系統(tǒng)調(diào)用表(sys_call_table)找到所調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)入口地址。接著，就調(diào)用函數(shù)，等返回后，做一些系統(tǒng)檢查，最后返回到進程（或到其他進程，如果這個進程時間用盡）。如果你希望讀這段代碼，它在<內(nèi)核源碼目錄>/kernel/entry.S，Entry(system_call)的下一行。

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如何使用系統(tǒng)調(diào)用？

先來看一個例子：

#include<linux/unistd.h> /*定義宏_syscall1*/
            #include<time.h>     /*定義類型time_t*/
            _syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)    /*宏，展開后得到time()函數(shù)的原型*/
            main()
            {
            time_t the_time;
            the_time=time((time_t *)0); /*調(diào)用time系統(tǒng)調(diào)用*/
            printf("The time is %ld\n",the_time);
            }
            系統(tǒng)調(diào)用time返回從格林尼治時間1970年1月1日0:00開始到現(xiàn)在的秒數(shù)。
            這是最標準的系統(tǒng)調(diào)用的形式，宏_syscall1()展開來得到一個函數(shù)原型，稍后我會作詳細解釋。但事實上，如果把程序改成下面的樣子，程序也可以運行得同樣的結(jié)果。
            #include<time.h>
            main()
            {
            time_t the_time;
            the_time=time((time_t *)0); /*調(diào)用time系統(tǒng)調(diào)用*/
            printf("The time is %ld\n",the_time);
            }

這是因為在time.h中實際上已經(jīng)用庫函數(shù)的形式實現(xiàn)了time這個系統(tǒng)調(diào)用，替我們省掉了調(diào)用_syscall1宏展開得到函數(shù)原型這一步。

大多數(shù)系統(tǒng)調(diào)用都在各種C語言函數(shù)庫中有所實現(xiàn)，所以在一般情況下，我們都可以像調(diào)用普通的庫函數(shù)那樣調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，只在極個別的情況下，我們才有機會用到_syscall*()這幾個宏。

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_syscall*()是什么？

在unistd.h里定義了7個宏，分別是

_syscall0(type,name)
            _syscall1(type,name,type1,arg1)
            _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2)
            _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3)
            _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4)
            _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5)
            _syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5,type6,arg6)
            

它們看起來似乎不太像宏，但其實質(zhì)和
#define MAXSIZE 100
里面的MAXSIZE沒有任何區(qū)別。

它們的作用是形成相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)原型，供我們在程序中調(diào)用。我們很容易就能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，_syscall后面的數(shù)字和typeN,argN的數(shù)目一樣多。事實上，_syscall后面跟的數(shù)字指明了展開后形成函數(shù)的參數(shù)的個數(shù)，讓我們看一個實例，就是剛剛用過的time系統(tǒng)調(diào)用：

_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)

展開后的情形是這樣：

time_t   time(time_t *   tloc)
            {
            long __res;
            __asm__ volatile("int $0x80" : "=a" (__res) : "0" (13),"b" ((long)(tloc)));
            do {
            if ((unsigned long)(__res) >= (unsigned long)(-125)) {
            errno = -(__res);
            __res  = -1;
            }
            return (time_t) (__res);
            } while (0) ;
            }

可以看出，_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)展開成一個名為time的函數(shù)，原參數(shù)time_t就是函數(shù)的返回類型，原參數(shù)time_t *和tloc分別構(gòu)成新函數(shù)的參數(shù)。事實上，程序中用到的time函數(shù)的原型就是它。

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errno是什么？

為防止和正常的返回值混淆，系統(tǒng)調(diào)用并不直接返回錯誤碼，而是將錯誤碼放入一個名為errno的全局變量中。如果一個系統(tǒng)調(diào)用失敗，你可以讀出errno的值來確定問題所在。

errno不同數(shù)值所代表的錯誤消息定義在errno.h中，你也可以通過命令"man 3 errno"來察看它們。

需要注意的是，errno的值只在函數(shù)發(fā)生錯誤時設(shè)置，如果函數(shù)不發(fā)生錯誤，errno的值就無定義，并不會被置為0。另外，在處理errno前最好先把它的值存入另一個變量，因為在錯誤處理過程中，即使像printf()這樣的函數(shù)出錯時也會改變errno的值。

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系統(tǒng)調(diào)用兼容性好嗎？

很遺憾，答案是--不好。但這決不意味著你的程序會三天兩頭的導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因為系統(tǒng)調(diào)用是Linux的內(nèi)核提供的，所以它們工作起來非常穩(wěn)定，對于此點無需絲毫懷疑，在絕大多數(shù)的情況下，系統(tǒng)調(diào)用要比你自己編寫的代碼可靠而高效的多。

但是，在Linux的各版本內(nèi)核之間，系統(tǒng)調(diào)用的兼容性表現(xiàn)得并不像想象那么好，這是由Linux本身的性質(zhì)決定的。Linux是一群程序設(shè)計高手利用業(yè)余時間開發(fā)出來的，他們中間的大部分人沒有把Linux當(dāng)成一個嚴肅的商業(yè)軟件，（現(xiàn)在的情況有些不同了，隨著Linux商業(yè)公司和以Linux為生的人的增長，不少人的腦筋發(fā)生了變化。）結(jié)果就是，如果新的方案在效率和兼容性上發(fā)生了矛盾，他們往往舍棄兼容性而追求效率，就這樣，如果他們認為某個系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的比較糟糕，他們就會毫不猶豫的作出修改，有些時候甚至連接口也一起改掉了，更可怕的是，很多時候，他們對自己的修改連個招呼也不打，在任何文檔里都找不到關(guān)于修改的提示。這樣，每當(dāng)新內(nèi)核推出的時候，很可能都會悄悄的更新一些系統(tǒng)調(diào)用，用戶編制的應(yīng)用程序也會跟著出錯。

說到這里，你是不是感覺前途一片昏暗呢？呵呵，不用太緊張，如前面所說，隨著越來越多的人把Linux當(dāng)成自己的飯碗，不兼容的情況也越來越罕見。從2.2版本以后的Linux內(nèi)核已經(jīng)非常穩(wěn)定了，不過盡管如此，你還是有必要在每個新內(nèi)核推出之后，對自己的應(yīng)用程序進行兼容性測試，以防止意外的發(fā)生。

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該如何學(xué)習(xí)使用Linux系統(tǒng)調(diào)用呢？

你可以用"man 2 系統(tǒng)調(diào)用名稱"的命令來查看各條系統(tǒng)調(diào)用的介紹，但這首先要求你要有不錯的英語基礎(chǔ)，其次還得有一定的程序設(shè)計和系統(tǒng)編程的功底，man pages不會涉及太多的應(yīng)用細節(jié)，因為它只是一個手冊而非教程。如果man pages所提供的東西不能使你感到非常滿意，那就跟我來吧，本專欄將向你展示Linux系統(tǒng)調(diào)用編程的無窮魅力。

雖然本專欄并非異常高深的技術(shù)文章，但是還對讀者有兩點小小的要求：1)讀者必須有一定的C語言編程經(jīng)驗，本專欄不會在語言細節(jié)上過分糾纏；2)讀者必須有一定的Linux使用經(jīng)驗，本專欄也不打算在Linux應(yīng)用上大動干戈。舉一個小小的測試標準，如果你能完全看懂本文從開頭到這里所講的東西，你就合格了。收拾好行囊，準備出發(fā)吧！