「深入解析」Linux系统调用C：从底层代码到实际应用（linux系统调用c）

作为一名Linux开发者，你肯定很熟悉Linux系统调用。系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，用于访问操作系统功能。在Linux环境中，系统调用的调用方式和其他函数调用是一样的，不过系统调用是在内核空间完成处理的。系统调用的设计非常复杂，其目的是为了满足开发者对操作系统的需求。在本篇文章中，我们将深入解析Linux系统调用，从底层代码到实际应用。

系统调用的种类

Linux系统调用主要分为以下几类：

– 进程控制：如fork，execve，exit等。

– 文件操作：如open，read，write等。

– 系统信息：如uname，getpid，getuid等。

– 进程间通信：如pipe，shmget，socket等。

– 定时器：如sleep，alarm，gettimeofday等。

每类系统调用都有其特点和使用场景，我们在实际开发中可以根据需要来选择。

系统调用的内部实现

系统调用在内核中的实现方式相当特殊。由于系统调用是在内核空间中运行的，相对于用户空间，它具有更高的权限和更加复杂的工作环境。因此，需要特别注意以下几点。

1.系统调用的构造

系统调用是根据进程在用户空间中生成的中断信号产生的。Linux系统中的中断信号是通过软中断来实现的，它是一种特殊的指令，可以在用户空间向内核空间发送信号。在Linux中，中断信号是通过int 0x80指令实现的。

2.中断达到内核时的处理过程

当进程发送中断信号到内核时，内核会根据中断号来判断这是一个系统调用请求。然后，内核会根据系统调用的编号来调用相应的系统调用例程，并将控制权转移到内核执行的函数代码。

以下是一个简单的示例用于展示系统调用的底层代码实现。

“`c

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

int main(int argc, char **argv)

{

pid_t pid;

int status;

pid = fork(); /* 创建子进程 */

if (pid == -1)

{

perror(“fork”);//perror用于将上一个函数出错的原因输出到标准设备(stderr)。由于pid指望了子进程的PID，父进程fork失败应该打出错误提示然后退出程序。

exit(1);/* 退出 */

}

else if (pid == 0)

{

/* 子进程中 */

printf(“In Child Process: pid=%d, ppid=%d.\n”, getpid(), getppid());

exit(0);

}

else

{

/* 父进程中 */

printf(“In Parent Process: pid=%d, ppid=%d, child pid=%d.\n”, getpid(), getppid(), pid);

wait(& status);//阻塞当前的父进程，使其等待子进程结束。

if (WIFEXITED(status))/* WIFEXITED(status)为真表明子进程正常结束 */

printf(“Child exit with code %d.\n”, WEXITSTATUS(status));

else if (WIFSIGNALED(status))/* WIFSIGNALED(status)为真表明子进程是被一个信号结束的 */

printf(“Child terminated abnormally, signal number = %d %s.\n”, WTERMSIG(status), WCOREDUMP(status) ? “(core file generated)” : “”);

}

return 0;

}

系统调用的实际应用

因为系统调用能够为用户程序提供内核功能，因此它被广泛地应用于各种Linux程序中。以下是一些实际应用场景。

1.文件操作

文件操作是Linux中最基本的系统调用之一。我们可以使用open，read，write和close系统调用来处理文件。这些系统调用提供了最基本的文件操作，包括创建，读取和写入文件内容。以下是一个简单的文件读写程序。

```c
#include 
#include 
#include 
#include 
#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd1, fd2, n;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    if (argc != 3)
    {
        printf("usage: %s  \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    fd1 = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd1 == -1)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    fd2 = creat(argv[2], 0644);
    if (fd2 == -1)
    {
        perror("creat");
        exit(1);
    }
    while ((n = read(fd1, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0)
    {
        if (write(fd2, buffer, n) != n)
        {
            perror("write");
            exit(1);
        }
    }
    close(fd1);
    close(fd2);
    return 0;
}

2.进程通信

进程之间的通信是操作系统中非常重要的一个功能。在Linux中，有多种方式可以实现进程间通信，如pipe，shmget，socket等。以下是一个使用管道进行进程通信的简单示例。

“`c

#include

#include

#include

#define BUFFER_SIZE 1024

int main()

{

int fd[2];

pid_t pid;

char buffer[BUFFER_SIZE];

if (pipe(fd) == -1)

{

perror(“pipe”);

exit(1);

}

pid = fork();

if (pid == -1)

{

perror(“fork”);

exit(1);

}

else if (pid == 0)

{

/* 子进程中 */

close(fd[1]);/* 子进程关闭写端，读取父进程的写入内容 */

read(fd[0], buffer, BUFFER_SIZE);

printf(“Received message from parent: %s.\n”, buffer);

close(fd[0]);

exit(0);

}

else

{

/* 父进程中 */

close(fd[0]);/* 父进程关闭读端，向子进程写入内容 */

write(fd[1], “Hello, child.”, 13);

close(fd[1]);

wait(NULL);

}

return 0;

}

3.定时器

定时器也是Linux系统调用的一个重要方面。目前，定时器功能主要由三个函数提供：alarm，getitimer和setitimer。定时器可以用于让程序在预定时间后进行某些操作，如定期采集数据或检查系统状态。以下是一个使用alarm定时器的简单示例。

```c
#include 
#include 
#include 
#include 
void handler(int signum)
{
    printf("Received alarm signal.\n");
}
int main()
{
    /* 安装信号处理器 */
    signal(SIGALRM, handler);
    /* 设置定时器 */
    alarm(5);
    /* 进入循环 */
    for (;;)
        ;
    return 0;
}

总结

本文对Linux系统调用作了一个概述，并且从底层代码到实际应用进行了阐述。每种系统调用都有其特点和使用场景，建议开发者在选择系统调用时进行综合考虑。同时，本文中提供了一些基本的示例代码，读者可以自行测试和实践。