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OS- -系统调用

發布時間：2024/4/11 windows 23 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 OS- -系统调用小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

OS- -系統調用

文章目錄

OS- -系統調用
- 一、系統調用
- - 用于進程管理的系統調用
  - 用于文件管理的系統調用
  - 用于目錄管理的系統調用
  - 其他系統調用
  - Win 32 API

一、系統調用

我們已經可以看到操作系統提供了兩種功能：為用戶提供應用程序抽象和管理計算機資源。
對于大部分在應用程序和操作系統之間的交互主要是應用程序的抽象，例如創建、寫入、讀取和刪除文件。計算機的資源管理對用戶來說基本上是透明的。
因此，用戶程序和操作系統之間的接口主要是處理抽象。為了真正理解操作系統的行為，我們必須仔細的分析這個接口。
多數現代操作系統都有功能相同但是細節不同的系統調用，引發操作系統的調用依賴于計算機自身的機制，而且必須用匯編代碼表達。
任何單CPU計算機一次執行執行一條指令。如果一個進程在用戶態下運行用戶程序，例如從文件中讀取數據。那么如果想要把控制權交給操作系統控制，那么必須執行一個異常指令或者系統調用指令。
操作系統緊接著需要參數檢查找出所需要的調用進程。操作系統緊接著進行參數檢查找出所需要的調用進程。然后執行系統調用，把控制權移交給系統調用下面的指令。
大致來說，系統調用就像是執行了一個特殊的過程調用，但是只有系統調用能夠進入內核態而過程調用則不能進入內核態。
為了能夠了解具體的調用過程，下面我們以read方法為例來看一下調用過程。
像上面提到的那樣，會有三個參數，第一個參數是指定文件、第二個是指向緩沖區、第三個參數是給定需要讀取的字節數。
就像幾乎所有系統調用一樣，它通過使用與系統調用相同的名稱來調用一個函數庫，從而從C程序中調用：read。

count = read(fd,buffer,nbytes);

系統調用在count中返回實際讀出的字節數。這個值通常與nbytes相同，但也可能更小。比如在讀過程中遇到了文件尾的情況。
如果系統調用不能執行，不管是因為無效的參數還是磁盤錯誤，count的值都會被置成-1,然后在全局變量errno中放入錯誤信號。程序應該進場檢查系統調用的結果以了解是否出錯。
系統調用是通過一系列的步驟實現的，為了更清楚的說明這個概念，我們還以read調用為例，在準備系統調用前，首先會把參數壓入堆棧，如下所示
完成系統調用read（fd, buffer, nbytes）的11個步驟
C和C++編譯器使用逆序傳參，放在堆棧的頂部）。
第一個參數和第三個參數都是值調用，但是第二個參數通過引用傳遞，即傳遞的是緩沖區的地址（由&指示），而不是緩沖的內容。
然后是C調用系統庫的read函數，這也是第四步。
在由匯編語言寫成的庫過程中，一般把系統調用的編號放在操作系統所期望的地方，如寄存器（第五步）。
然后執行一個TRAP指令，將用戶態切換到內核態，并在內核中的一個固定地址開始執行第六步。
TRAP指令實際上與過程調用指令非常相似，它們后面都跟隨一個來自遠處位置的指令，以及供以后使用的一個保存在棧中的返回地址。

TRAP指令與過程調用指令存在兩個方面的不同：

? TRAP指令會改變操作系統的狀態，由用戶態切換到內核態，而過程調用不改變模式
?其次，TRAP指令不能跳轉到任意地址上。根據機器的體系結構，要么跳轉到一個單固定地址上，或者指令中有一8位長的字段，它給定了內存中一張表格的索引，這張表格中含有跳轉地址，然后跳轉到指定地址上。

跟隨在TRAP指令后的內核代碼開始檢查系統調用編號，然后dispatch給正確的系統調用處理器，這通常是通過一張由系統調用編號所引用的、指向系統調用處理器的指針表來完成第七步。
此時，系統調用處理器運行第八步
一旦系統調用處理器完成工作，控制權會根據TRAP指令后面的指令中返回給函數調用庫第九步。
這個過程接著以通常的過程調用返回的方式，返回到客戶應用程序，這是第十步。
然后調用完成后，操作系統還必須清除用戶堆棧，然后增加堆棧指針（increment stackpointer）, 用來清除調用read之前壓入的參數。

從而完成整個read調用過程。

在上面的第九步中我們說道，控制可能返回TRAP指令后面的指令，把控制權再移交給調用者這個過程中，系統調用會發生阻塞，從而避免應用程序繼續執行。
這么做是有原因的。例如，如果試圖讀鍵盤，此時并沒有任何輸入，那么調用者就必須被阻塞。
在這種情形下，操作系統會檢查是否有其他可以運行的進程。這樣，當有用戶輸入時候，進程會提醒操作系統，然后返回第9步繼續運行。

下面，我們會列出一些常用的POSIX系統調用，POSIX系統調用大概有100多個，它們之中最重要的一些調用見下表：

上面的系統調用參數中有一些公共部分，例如pid系統進程id, fd是文件描述符，n是字節數， position是在文件中的偏移量、seconds是流逝時間。
從宏觀角度上看，這些系統調所提供的服務確定了多數操作系統應該具有的功能，下面分別來對不同的系統調用進行解釋

用于進程管理的系統調用

在UNIX中，fork是唯一可以在POSIX中創建進程的途徑，它創建一個原有進程的副本，包括所有的文件描述符、寄存器等內容。
在fork之后，原有進程以及副本(父與子)就分開了。在fork過程中，所有的變量都有相同的值，雖然父進程的數據通過復制給子進程，但是后續對其中任何一個進程的修改不會影響到另外一個。
fork調用會返回一個值，在子進程中該值為0,并且在父進程中等于子進程的進程標識符(Process IDentified,PID) ，使用返回的PID,就可以看出來哪個是父進程和子進程。
在多數情況下，在fork之后，子進程需要執行和父進程不一樣的代碼。
從終端讀取命令，創建一個子進程，等待子進程執行命令，當子進程結束后再讀取下一個輸入的指令。
為了等待子進程完成，父進程需要執行waitpid系統調用，父進程會等待直至子進程終止(若有多個子進程的話，則直至任何一個子進程終止)。
waitpid可以等待一個特定的子進程，或者通過將第一個參數設為-1的方式，等待任何一個比較老的子進程。
當waitpid完成后，會將第二個參數statloc所指向的地址設置為子進程的退出狀態(正常或異常終止以及退出值)。有各種可使用的選項，它們由第三個參數確定。
例如，如果沒有已經退出的子進程則立刻返回。
那么shell該如何使用fork呢？在鍵入一條命令后，shell會調用fork命令創建一個新的進程。這個子進程會執行用戶的指令。
通過使用execve系統調用可以實現系統執行，這個系統調用會引起整個核心映像被一個文件所替代，該文件由第一個參數給定。

下面是一個簡化版的例子說明fork、waitpid和 execve的使用：

—般情況下，execve有三個參數：將要執行的文件名稱，一個指向變量數組的指針，以及一個指向環境數組的指針。
先看一個shell指令

cp filel file2

此命令把filel復制到file2文件中，在shell執行fork之后，子進程定位并執行文件拷貝，并將源文件和目標文件的名稱傳遞給它。
cp的主程序(以及包含其他大多數C程序的主程序)包含聲明

main(argc,argv,envp)

其中第一個參數argc是命令行中參數數目的計數，包括程序名稱。
對于上面的例子，argc是3。
第二個參數argv是數組的指針。該數組的元素i是指向該命令行第i個字符串的指針。在上面的例子中， argv[0]指向字符串cp, argv[1]指向字符串filel, argv[2]指向字符串file2。
main的第三個參數是指向環境的指針，該環境是一個數組，含有name = value的賦值形式，用以將諸如終端類型以及根目錄等信息傳送給程序。這些變量通常用來確定用戶希望如何完成特定的任務(例如，使用默認打印機)。
在上面的例子中，沒有環境參數傳遞給execve ,所以環境變量是0 ,所以execve的第三個參數為0
可能你覺得execve過于復雜，這時候我要鼓勵一下你，execve可能是POSIX的全部系統調用中最復雜的一個了，其他都比較簡單。
作為一個簡單的例子，我們再來看一下exit ,這是進程在執行完成后應執行的系統調用。這個系統調用有一個參數，它的退出狀態是0 - 255之間，它通過waitpid系統調用中的statloc返回給父級。
UNIX中的進程將內存劃分成三個部分：text segment,文本區，例如程序代碼，data segment, 數據區，例如變量，stack segment ,棧區域。數據向上增長而堆棧向下增長，如下圖所示
上圖能說明三個部分的內存分配情況，夾在中間的是空閑區，也就是未分配的區域，堆棧在需要時自動的擠壓空閑區域，不過數據段的擴展是顯示地通過系統調用brk進行的，在數據段擴充后，該系統調用指向一個新地址。
但是，這個調用不是POSIX標準中定義的，對于存儲器的動態分配，鼓勵程序員使用malloc函數，而malloc的內部實現則不是一個適合標準化的主題，因為幾乎沒有程序員直接使用它。

用于文件管理的系統調用

許多系統調用都與文件系統有關，要讀寫一個文件，必須先將其打開。
這個系統調用通過絕對路徑名或指向工作目錄的相對路徑名指定要打開文件的名稱，而代碼O-RDONLY、 O-WRONLY或O_RDWR 的含義分別是只讀、只寫或者兩者都可以，為了創建一個新文件，使用O-CREATE參數。
然后可使用返回的文件描述符進行讀寫操作。接著，可以使用close關閉文件，這個調用使得文件描述符在后續的 open中被再次使用。
最常用的調用還是read和write ,我們再前面探討過read調用，write具有與read相同的參數。
盡管多數程序頻繁的讀寫文件，但是仍有一些應用程序需要能夠隨機訪問一個文件的任意部分。
與每個文件相關的是一個指向文件當前位置的指針。
在順序讀寫時，該指針通常指向要讀出（寫入）的下一個字節。Iseek調用可以改變該位置指針的值，這樣后續的read或write調用就可以在文件的任何地方開始。
Iseek有三個參數，position = iseek（fd,offset,whence）,第一個是文件描述符，第二個是文件位置，第三個是說明該文件位置是相對于文件起始位置，當前位置還是文件的結尾。
在修改了指針之后，Iseek所返回的值是文件中的絕對位置。
UNIX為每個文件保存了該文件的類型（普通文件、特殊文件、目錄等）、大小，最后修改時間以及其他信息，程序可以通過stat系統調用查看這些信息。
s = stat（name,&buf）,第一個參數指定了被檢查的文件；第二個參數是一個指針，該指針指向存放這些信息的結構。對于一個打開的文件而言， fstat調用完成同樣的工作。

用于目錄管理的系統調用

下面我們探討目錄和整個文件系統的系統調用，上面探討的是和某個文件有關的系統調用。
mkdir和 rmdir分別用于創建s = mkdir（nname,mode）和刪除s = rmdir（name）空目錄
下一個調用是s = link（namel,name2）它的作用是允許同一個文件以兩個或者多個名稱出現，多數情況下是在不同的目錄中使用link

下面我們探討一下link是如何工作的

圖中有兩個用戶ast和jim ,每個用戶都有他自己的一個目錄和一些文件，如果ast要執行一個包含下面系統調用的應用程序

link（"/usr/jim/memo", "/usr/ast/note"）;

jim中的memo文件現在會進入到ast的目錄中，在note名稱下。
此后，/usr/jim/memo和 /usr/ast/note會有相同的名稱。
用戶目錄是保存在/usr, /user, /home還是其他位置，都是由本地系統管理員決定的。
要理解link是如何工作的需要清楚link做了什么操作。
UNIX中的每個文件都有一個獨一無二的版本，也稱作i - number, i-編號，它標示著不同文件的版本。這個i -編號是i-nodes,i-節點表的索引。
每個文件都會表明誰擁有這個文件，這個磁盤塊的位置在哪，等等。目錄只是一個包含一組（i編號，ASCII名稱）對應的文件。
UNIX中的第一個版本中，每個目錄項都會有16個字節，2個字節對應i -編號和14個字節對應其名稱。現在需要一個更復雜的結構需要支持長文件名，但是從概念上講一個目錄仍是一系列（i-編號，ASCII名稱）的集合。
在上圖中，mail的i-編號為16,依此類推。link只是利用某個已有文件的i-編號，創建一個新目錄項（也許用一個新名稱）。
在上圖b中，你會發現有兩個相同的70 i-編號的文件，因此它們需要有相同的文件。
如果其中一個使用了 unlink系統調用的話，其中—個會被移除，另一個將保留。如果兩個文件都移除了，則UNIX會發現該文件不存在任何沒有目錄項（i-節點中的一個域記錄著指向該文件的目錄項），就會把該文件從磁盤中移除。
就像我們上面提到過的那樣，mount系統s = mount（special,name,flag）調用會將兩個文件系統合并為一個。
通常的情況是將根文件系統分布在硬盤（子）分區上，并將用戶文件分布在另一個子）分區上，該根文件系統包含常用命令的二進制（可執行）版本和其他使用頻繁的文件。然后，用戶就會插入可讀取的USB硬盤。

通過執行mount系統調用，USB文件系統可以被添加到根文件系統中,

如果用C語言來執行那就是

mount("/dev/sclb0", "/Yrnnt" ,0）

這里，第一個參數是USB驅動器0的塊特殊文件名稱，第二個參數是被安裝在樹中的位置，第三個參數說明將要安裝的文件系統是可讀寫的還是只讀的。
當不再需要一個文件系統時，可以使用amount移除之。

其他系統調用

除了進程、文件、目錄系統調用，也存在其他系統調用的情況，下面我們來探討一下。
我們可以看到上面其他系統調用只有四種，首先來看第一個chdir, chdir調用更改當前工作目錄

chdir("/usr/ast/test"）;

在調用后，打開xyz文件，會打開/usr/ast/test/xyz文件，工作目錄的概念消除了總是需要輸入長文件名的需要。
在UNIX系統中，每個文件都會有保護模式，這個模式會有一個讀-寫-執行位，它用來區分所有者、組和其他成員。chmod系統調用提供改變文件模式的操作。
例如，要使一個文件除了對所有者之外的用戶可讀，你可以執行

chmod("file",0644）;

kill系統調用是用戶和用戶進程發送信號的方式，如果一個進程準備好捕捉一個特定的信號，那么在信號捕捉之前，會運行一個信號處理程序。
如果進程沒有準備好捕捉特定的信號，那么信號的到來會殺掉該進程（此名字的由來）。
POSIX定義了若干時間處理的進程。例如，time以秒為單位返回當前時間，0對應著1970年1月1日。在一臺32位字的計算機中，time的最大值是（2人32） - 1秒，這個數字對應136年多一點。
所以在 2106年，32位的UNIX系統會發飆。如果讀者現在有32位UNIX系統，建議在2106年更換位64位操作系統（偷笑?）。

Win 32 API

上面我們提到的都是UNIX系統調用，現在我們來聊聊Win 32中的系統調用。

Windows和UNIX在各自的編程方式上有著根本的不同。UNIX程序由執行某些操作或執行其他操作的代碼組成，進行系統調用以執行某些服務。
Windows系統則不同，Windows應用程序通常是由事件驅動的。主程序會等待一些事件發生，然后調用程序去處理。
最簡單的事件處理是鍵盤敲擊和鼠標滑過，或者是鼠標點擊，或者是插入USB驅動，然后操作系統調用處理器去處理事件，更新屏幕和更新程序內部狀態。這是與UNIX 不同的設計風格。
當然，Windows也有系統調用。在UNIX中，系統調用（比如read）和系統調用所使用的調用庫（例如read）幾乎是一對一的關系。而在Windows中，情況則大不相同。
首先，函數庫的調用和實際的系統調用幾乎是不對應的。微軟定義了一系列過程，稱為Win32應用編程接口（Application Programming Interface）,程序員通過這套標準的接口來實現系統調用。這個接口支持從Windows 95版本以來所有的Windows版本。
Win32 API調用的數量是非常巨大的，有數千個多。但這些調用并不都是在內核態的模式下運行時，有 —些是在用戶態的模型下運行。
Win32 API有大量的調用，用來管理視窗、幾何圖形、文本、字體、滾動條、對話框、菜單以及GUI的其他功能。為了使圖形子系統在內核態下運行，需要系統調用，否則就只有函數庫調用。

我們把關注點放在和Win32系統調用中來，我們可以簡單看一下Win32 API中的系統調用和UNIX中有什么不同（并不是所有的系統調用）

上表中是UNIX調用大致對應的Win32 API系統調用，簡述一下上表
CreateProcess用于創建一個新進程，它把UNIX中的fork和execve兩個指令合成一個，一起執行。它有許多參數用來指定新創建進程的性質。
Windows中沒有類似UNIX中的進程層次，所以不存在父進程和子進程的概念。在進程創建之后，創建者和被創建者是平等的。
WaitForSingleObject用于等待一個事件，等待的事件可以是多種可能的事件。如果有參數指定了某個進程，那么調用者將等待指定的進程退出，這通過 ExitProcess 來完成。
然后是6個文件操作，在功能上和UNIX的調用類似，然而在參數和細節上是不同的。和UNIX中一樣，文件可以打開，讀取，寫入，關閉。SetFilePointer和GetFileAttributesEx設置文件的位置并取得文件的屬性。
Windows中有目錄，目錄分別用CreateDirectory以及RemoveDirectory API調用創建和刪除。
也有對當前的目錄的標記，這可以通過SetCurrentDirectory來設置。使用GetLocalTime 可獲得當前時間。
Win32接口中沒有文件的鏈接、文件系統的mount、amount和stat ,當然，Win32中也有大量 UNIX中沒有的系統調用，特別是對GUI的管理和調用

總結

以上是生活随笔為你收集整理的OS- -系统调用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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