系统级编程是什么？

部分摘自《Linux System Programming 》作者: Robert Love

刘建文略译（http://blog.csdn.net/keminlau）

KEY:系统论 系统编程

System Programming

过去的Unix编程是没有系统不系统之分的。即便是开发 X Window也是在系统级（system-level）编程，看到系统的所有API。现代的操作系统编程有所谓[系统级编程]，使用与[应用编程]不同的API（System programming API） 。

从编程的形式和耗费心力上，系统编程与应用编程没有本质区别，这也意味着一个经验丰富的应用程序员转向系统编程难度不大。系统编程与应用编程的不同在于：

• 第一，系统编程更接近硬件；系统程序员必须熟悉硬件环境和操作系统环境；相对的，应用程序员更多是熟悉应用的环境；
• 第二，系统编程使用的函数库和库函数调用方法与应用编程有一些不同。比如，在调用系统调用（syscall）时使用所谓的陷入方式，也就是软中断方式。

近年来，随计算应用深化，应用编程有远离系统编程的趋向。不过，这并不能说或者预言系统编程的末日的到来。因为，有人用Javascript或C#写应用就要有人写它的解释器和运行时。 此外，操作系统代码只能使用系统级编程。

本书的一些核心问题：

• 系统级接口（system-level interface）到底是什么？又如何编写Linux的系统级应用？
• 内核和C库具体提供了什么给我们？
• 如何编写优质代码？Linux又有什么已知的陷阱（tricks ）？
• Linux的系统调用是如何实现的？
• What neat system calls are provided in Linux compared to other Unix variants? How does it all work? Those questions are at the center of this book.

Linux系统编程需要熟悉三大块内容：系统调用、C库和C编译器。

System Calls

[系统调用]就是用户空间与内核之间的函数接口，目的是为了给用户空间的程序请求内核服务和资源。与其它很多操作系统相比，Linux实现的系统调用少很多。比如，Linux为I386体系实现了300个左右的系统调用，而 Microsoft Windows据说实现数以千计的系统调用。Linux内核的不同平台实现在系统调用上存在差异，不过90%的系统调用是相同的。

Invoking system calls

出于安全性等因素，应用代码是不能够直接调用系统调用的。必须使用特殊的[陷入]（trap）机制。一种“知会”内核进行工作的函数调用形式（KEMIN：证明两“系统”的耦合度较弱，比直接调用方式要弱。以系统论的角度考究syscall也很有意思）。陷入机制的具体实现也是因不同的体系而有所不同的。比如I386体系，应用代码通过触发软中断指令（int 0x80）来调用syscall。那0x80是什么呢？软件中断向量号吗？回答否。应用代码必须通过处理器的寄存器向告诉内核向量号和调用参数。比如，如果应用代码调用open()，它得置eax值5，然后把参数放在另外的五个寄存器：ebx, ecx, edx, esi, 和edi（所以系统调用至多使用五个参数），这些寄存器保存有用户空间的地址，也就是参数数据所在。

作为一位系统程序员，你一般不需干涉系统调用的过程，因为调用过程由体系定义，并且由C库和C编译器自动处理。

The C Library

C库是所有UINX应用的核心，因为无论你使用什么语言，你的代码最终还是调用C库。其它高级语言的库都是基于C库构建的，或者说是这些库是对C库的包装。现在的Linux，使用的C库是GNU libc，行话glibc。glibc不仅仅是个程序语言库，比如C标准库，它还是一个系统库，而且是一个现代操作系统库，函数涵盖了对系统调用的包装、线程支持、网络支持等。

The C Compiler

Linux的C编译器是gcc，过去gcc代表GNU C Compiler，是cc的在GNU项目的实现；现在gcc代表GNU Compiler Collection，不过gcc 仍然是C编译器的入口。Unix系统（包括Linux）使用的编译器与系统编程是高度相关的，因为编译器负责实现了C标准和系统ABI。

APIs and ABIs

无人不希望自己写的程序具有很好的移植性（portability），可以运行在不同软件平台（如操作系统或应用框架）、硬件平台（如处理器体系及载板），甚至跨平台的开发版本运行。有多种因素影响着程序的可移植性，当中就有两组不同的[系统接口]影响程序的可移植性：第一组是应用编程接口（API），另一组是应用二进制接口（ABI）。

APIs

API是两支软件在源代码级的接口。通过这个标准的接口（一般以函数形式实现），客户代码（一般称高级别的软件代码）可以调用服务代码（低级别的软件代码）。API本身是抽象的，它仅定义了一个接口，不涉入应用程序如何实现的细节。

系统论里的接口范畴

 

接口或者端口是两子系统边界[信息交换]的规格或约定方式，用通俗的理解就是，信息是什么样的。接口是信息的格式。

应用编程接口，就是软件系统不同组成部分衔接的约定。由于近年来软件的规模日益庞大，常常会需要把复杂的系统划分成小的组成部分，编程接口的设计十分重要。程序设计的实践中，编程接口的设计首先要使系统的职责得到合理划分。良好的接口设计可以降低系统各部分的相互依赖，提高组成单元的内聚性，降低组成单元间的耦合程度，从而提高系统的维护性和扩展性。

 

由于API是抽象的，必须清晰区别接口定义与接口的实现。比如[C标准库]是API，uclibc是一个实现；POSIX 是API，glibc是一个实现。

那么API一般涵盖什么样的函数呢？ 这是一个很有意思的问题。比如C标准库是一种语言库，它必须非常通用，所以接口函数不能依赖软件或硬件特性；相反POSIX 是操作系统标准，它相对没那么的通用。

ABIs

API是源代码级别接口，是逻辑约定；而ABI是二进制级别接口，定义的在特定的架构上两个软件模块之间的接口的物理实现方式。这种[物理实现约定]保证二进制代码兼容，也就是保证一段目标代码能够在任何具有同样ABI的系统上都正常运作，不需要重新编译源代码。

ABI（[物理实现约定]） 的内容包括调用约定（calling conventions）、字节序（byte ordering）、寄存器使用（register use）、系统调用实现方式、对象链接、库行为和二进制格式。以调用规则为例，它规定了函数如何被调用，参数如何传递，哪些寄存器被保留和哪些会被破坏，以及调用者如何提取返回的结果。

尽管曾经尝试着为特定架构下不同的操作系统(特别是i386上的Unix操作系统)定义唯一的ABI，然而到目前为止还没有取得成效。相反，包括Linux在内的操作系统都尝试定义各自独立的ABI，这些ABI和架构紧密相连。大部分的ABI涉及了机器级别的概念，如特定的寄存器或者汇编指令。因此，在Linux系统中，每一个机器架构都有自己的ABI集合，事实上，我们以机器架构的名称来称呼这些ABI，例如alpha x86-64等。(nakeman: http://blog.csdn.net/keminlau/archive/2009/11/26/4874732.aspx)

1.4 Linux编程概念、POSIX和系统库

所有的Unix系统，包括Linux系统，都提供了一个共同的抽象和接口集合，这个共同点定义了Unix。如对文件和进程的抽象、管道和套接字管理的接口等等，都是Unix的核心内容。