linux系统编程概述-系统调用

一、系统编程概述

1、什么是Linux系统编程
在有操作系统的环境下编程，并使用操作系统提供的系统调用及各种库，对系统资源进行访问。
学会了C语言再知道一些使用系统调用的方法，就可以进行Linux系统编程了。

二、系统调用

1、系统调用（System Call）：

是操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备（如CPU、磁盘、打印机等）进行交互提供的一组接口。当用户进程需要发生系统调用时，CPU 通过软中断切换到内核态开始执行内核系统调用函数。

例如：用户可以通过文件系统相关的系统调用，请求系
统打开文件、关闭文件或读写文件。

2、系统调用按照功能逻辑大致可分为:
进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、内存管理、网络管理、socket控制、用户管理。

3、系统调用的返回值：
通常，用一个负的返回值来表明错误，返回一个0值表明成功。错误信息存放在全局变量errno中，用户可用perror函数打印出错信息。

4、系统调用遵循的规范
在Linux中，应用程序编程接口(API)遵循POSIX标准。POSIX标准基于当时现有的UNIX 实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是API）(Application Programming Interface)，用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。
如：
linux下写的open、write 、read可以直接移植到unix操作系统下。

5、系统调用I/O函数

系统调用中操作I/O的函数，都是针对文件描述符的。通过文件描述符可以直接对相应的文件进行操作。

如：open、close、write 、read、ioctl

文件描述符：文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符。文件描述符用来指定已打开的文件。

#define STDIN_FILENO    0//标准输入的文件描述符
#define STDOUT_FILENO  1 //标准输出的文件描述符
#define STDERR_FILENO   2//标准错误的文件描述符
程序运行起来后这三个文件描述符是默认打开的

（1）open函数：打开一个文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
当文件存在时使用：
int open(const char *pathname,  int flags);
当文件不存在时使用：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数：
pathname：文件的路径及文件名。
flags：open函数的行为标志。
mode：文件权限(可读、可写、可执行)的设置。
返回值：
成功返回打开的文件描述符。失败返回-1，可以利用perror去查看原因。

（2）close函数：关闭一个文件
#include <unistd.h>
int close(int fd);
参数：
fd是调用open打开文件返回的文件描述符。
返回值：
成功返回0。失败返回-1，可以利用perror去查看原因。

（3）write函数：把指定数目的数据写到文件
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd,  const void *addr, size_t count);
参数：
fd：文件描述符。
addr：数据首地址。
count：写入数据的字节个数。
返回值：
成功返回实际写入数据的字节个数。失败返回-1，可以利用perror去查看原因。

（4）read函数：把指定数目的数据读到内存
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *addr, size_t count);
参数：
fd：文件描述符。
addr：内存首地址。
count：读取的字节个数。
返回值：
成功返回实际读取到的字节个数。失败返回-1，可以利用perror去查看原因。

6、系统调用与库

（1）库函数由两类函数组成
不需要调用系统调用
不需要切换到内核空间即可完成函数全部功能，并且将结果反馈给应用程序，如strcpy、bzero等字符串操作函数。
需要调用系统调用
需要切换到内核空间，这类函数通过封装系统调用去实现相应功能，如printf、fread等。

（2）库函数与系统调用的关系：
并不是所有的系统调用都被封装成了库函数，系统提供的很多功能都必须通过系统调用才能实现。

系统调用是需要时间的，程序中频繁的使用系统调用会降低程序的运行效率。
当运行内核代码时，CPU工作在内核态，在系统调用发生前需要保存用户态的栈和内存环境，然后转入内核态工作。
系统调用结束后，又要切换回用户态。这种环境的切换会消耗掉许多时间。
库函数访问文件的时候根据需要，设置不同类型的缓冲区，从而减少了直接调用IO系统调用的次数，提高了访问效率。