Linux内核中系统调用详解

什么是系统调用?    

Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于，系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态;而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

随Linux核心还提供了一些C语言函数库，这些库对系统调用进行了一些包装和扩展，因为这些库函数与系统调用的关系非常紧密，所以习惯上把这些函数也称为系统调用。

为什么要用系统调用?    

实际上，很多已经被我们习以为常的C语言标准函数，在Linux平台上的实现都是靠系统调用完成的，所以如果想对系统底层的原理作深入的了解，掌握各种系统调用是初步的要求。进一步，若想成为一名Linux下编程高手，也就是我们常说的Hacker，其标志之一也是能对各种系统调用有透彻的了解。

即使除去上面的原因，在平常的编程中你也会发现，在很多情况下，系统调用是实现你的想法的简洁有效的途径，所以有可能的话应该尽量多掌握一些系统调用，这会对你的程序设计过程带来意想不到的帮助。

系统调用是怎么工作的?    

一般的，进程是不能访问内核的。它不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数。CPU硬件决定了这些(这就是为什么它被称作"保护模式")。系统调用是这些规则的一个例外。其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置(当然，这个位置是用户进程可读但是不可写的)。在Intel CPU中，这个由中断0x80实现。硬件知道一旦你跳到这个位置，你就不是在限制模式下运行的用户，而是作为操作系统的内核--所以你就可以为所欲为。

进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程(或到其他进程，如果这个进程时间用尽)。

具体过程如下图所示：

如何使用系统调用?

先来看一个例子：

这是因为在time.h中实际上已经用库函数的形式实现了time这个系统调用，替我们省掉了调用_syscall1宏展开得到函数原型这一步。

大多数系统调用都在各种C语言函数库中有所实现，所以在一般情况下，我们都可以像调用普通的库函数那样调用系统调用，只在极个别的情况下，我们才有机会用到_syscall*()这几个宏。

调用性能问题    

系统调用需要从用户空间陷入内核空间，处理完后，又需要返回用户空间。其中除了系统调用服务例程的实际耗时外，陷入/返回过程和系统调用处理程序(查系统调用表、存储恢复用户现场)也需要花销一些时间，这些时间加起来就是一个系统调用的响应速度。系统调用不比别的用户程序，它对性能要求很苛刻，因为它需要陷入内核执行，所以和其他内核程序一样要求代码简洁、执行迅速。幸好Linux具有令人难以置信的上下文切换速度，使得其进出内核都被优化得简洁高效;同时所有Linux系统调用处理程序和每个系统调用本身也都非常简洁。

绝大多数情况下，Linux系统调用性能是可以接受的，但是对于一些对性能要求非常高的应用来说，它们虽然希望利用系统调用的服务，但却希望加快相应速度，避免陷入/返回和系统调用处理程序带来的花销，因此采用由内核直接调用系统调用服务例程，最好的例子就HTTPD——它为了避免上述开销，从内核调用socket等系统调用服务例程。

Linux系统调用列表    

· 进程控制

fork 创建一个新进程

clone 按指定条件创建子进程

execve 运行可执行文件

exit 中止进程

_exit 立即中止当前进程

getdtablesize 进程所能打开的最大文件数

getpgid 获取指定进程组标识号

setpgid 设置指定进程组标志号

getpgrp 获取当前进程组标识号

setpgrp 设置当前进程组标志号

getpid 获取进程标识号

getppid 获取父进程标识号

getpriority 获取调度优先级

setpriority 设置调度优先级

modify_ldt 读写进程的本地描述表

nanosleep 使进程睡眠指定的时间

nice 改变分时进程的优先级

pause 挂起进程，等待信号

personality 设置进程运行域

prctl 对进程进行特定操作

ptrace 进程跟踪

sched_get_priority_max 取得静态优先级的上限

sched_get_priority_min 取得静态优先级的下限

sched_getparam 取得进程的调度参数

sched_getscheduler 取得指定进程的调度策略

sched_rr_get_interval 取得按RR算法调度的实时进程的时间片长度

sched_setparam 设置进程的调度参数

sched_setscheduler 设置指定进程的调度策略和参数

sched_yield 进程主动让出处理器,并将自己等候调度队列队尾

vfork 创建一个子进程，以供执行新程序，常与execve等同时使用

wait 等待子进程终止

wait3 参见wait

waitpid 等待指定子进程终止

wait4 参见waitpid

capget 获取进程权限

capset 设置进程权限

getsid 获取会晤标识号

setsid 设置会晤标识号

· 文件系统控制

1.文件读写操作

fcntl 文件控制

open 打开文件

creat 创建新文件

close 关闭文件描述字

read 读文件

write 写文件

readv 从文件读入数据到缓冲数组中

writev 将缓冲数组里的数据写入文件

pread 对文件随机读

pwrite 对文件随机写

lseek 移动文件指针

_llseek 在64位地址空间里移动文件指针

dup 复制已打开的文件描述字

dup2 按指定条件复制文件描述字

flock 文件加/解锁

poll I/O多路转换

truncate 截断文件

ftruncate 参见truncate

umask 设置文件权限掩码

fsync 把文件在内存中的部分写回磁盘

2.文件系统操作

access 确定文件的可存取性

chdir 改变当前工作目录

fchdir 参见chdir

chmod 改变文件方式

fchmod 参见chmod

chown 改变文件的属主或用户组

fchown 参见chown

lchown 参见chown

chroot 改变根目录

stat 取文件状态信息

lstat 参见stat

fstat 参见stat

statfs 取文件系统信息

fstatfs 参见statfs

readdir 读取目录项

getdents 读取目录项

mkdir 创建目录

mknod 创建索引节点

rmdir 删除目录

rename 文件改名

link 创建链接

symlink 创建符号链接

unlink 删除链接

readlink 读符号链接的值

mount 安装文件系统

umount 卸下文件系统

ustat 取文件系统信息

utime 改变文件的访问修改时间

utimes 参见utime

quotactl 控制磁盘配额

· 系统控制

ioctl I/O总控制函数

_sysctl 读/写系统参数

acct 启用或禁止进程记账

getrlimit 获取系统资源上限

setrlimit 设置系统资源上限

getrusage 获取系统资源使用情况

uselib 选择要使用的二进制函数库

ioperm 设置端口I/O权限

iopl 改变进程I/O权限级别

outb 低级端口操作

reboot 重新启动

swapon 打开交换文件和设备

swapoff 关闭交换文件和设备

bdflush 控制bdflush守护进程

sysfs 取核心支持的文件系统类型

sysinfo 取得系统信息

adjtimex 调整系统时钟

alarm 设置进程的闹钟

getitimer 获取计时器值

setitimer 设置计时器值

gettimeofday 取时间和时区

settimeofday 设置时间和时区

stime 设置系统日期和时间

time 取得系统时间

times 取进程运行时间

uname 获取当前UNIX系统的名称、版本和主机等信息

vhangup 挂起当前终端

nfsservctl 对NFS守护进程进行控制

vm86 进入模拟8086模式

create_module 创建可装载的模块项

delete_module 删除可装载的模块项

init_module 初始化模块

query_module 查询模块信息

*get_kernel_syms 取得核心符号,已被query_module代替

· 内存管理

brk 改变数据段空间的分配

sbrk 参见brk

mlock 内存页面加锁

munlock 内存页面解锁

mlockall 调用进程所有内存页面加锁

munlockall 调用进程所有内存页面解锁

mmap 映射虚拟内存页

munmap 去除内存页映射

mremap 重新映射虚拟内存地址

msync 将映射内存中的数据写回磁盘

mprotect 设置内存映像保护

getpagesize 获取页面大小

sync 将内存缓冲区数据写回硬盘

cacheflush 将指定缓冲区中的内容写回磁盘

· 网络管理

getdomainname 取域名

setdomainname 设置域名

gethostid 获取主机标识号

sethostid 设置主机标识号

gethostname 获取本主机名称

sethostname 设置主机名称

· socket控制

socketcall socket系统调用

socket 建立socket

bind 绑定socket到端口

connect 连接远程主机

accept 响应socket连接请求

send 通过socket发送信息

sendto 发送UDP信息

sendmsg 参见send

recv 通过socket接收信息

recvfrom 接收UDP信息

recvmsg 参见recv

listen 监听socket端口

select 对多路同步I/O进行轮询

shutdown 关闭socket上的连接

getsockname 取得本地socket名字

getpeername 获取通信对方的socket名字

getsockopt 取端口设置

setsockopt 设置端口参数

sendfile 在文件或端口间传输数据

socketpair 创建一对已联接的无名socket

· 用户管理

getuid 获取用户标识号

setuid 设置用户标志号

getgid 获取组标识号

setgid 设置组标志号

getegid 获取有效组标识号

setegid 设置有效组标识号

geteuid 获取有效用户标识号

seteuid 设置有效用户标识号

setregid 分别设置真实和有效的的组标识号

setreuid 分别设置真实和有效的用户标识号

getresgid 分别获取真实的,有效的和保存过的组标识号

setresgid 分别设置真实的,有效的和保存过的组标识号

getresuid 分别获取真实的,有效的和保存过的用户标识号

setresuid 分别设置真实的,有效的和保存过的用户标识号

setfsgid 设置文件系统检查时使用的组标识号

setfsuid 设置文件系统检查时使用的用户标识号

getgroups 获取后补组标志清单

setgroups 设置后补组标志清单

· 进程间通信

ipc 进程间通信总控制调用

信号

sigaction 设置对指定信号的处理方法

sigprocmask 根据参数对信号集中的信号执行阻塞/解除阻塞等操作

sigpending 为指定的被阻塞信号设置队列

sigsuspend 挂起进程等待特定信号

signal 参见signal

kill 向进程或进程组发信号

*sigblock 向被阻塞信号掩码中添加信号,已被sigprocmask代替

*siggetmask 取得现有阻塞信号掩码,已被sigprocmask代替

*sigsetmask 用给定信号掩码替换现有阻塞信号掩码,已被sigprocmask代替

*sigmask 将给定的信号转化为掩码,已被sigprocmask代替

*sigpause 作用同sigsuspend,已被sigsuspend代替

sigvec 为兼容BSD而设的信号处理函数,作用类似sigaction

ssetmask ANSI C的信号处理函数,作用类似sigaction

消息

msgctl 消息控制操作

msgget 获取消息队列

msgsnd 发消息

msgrcv 取消息

管道

pipe 创建管道

信号量

semctl 信号量控制

semget 获取一组信号量

semop 信号量操作

共享内存

shmctl 控制共享内存

shmget 获取共享内存

shmat 连接共享内存

shmdt 拆卸共享内存

　　审核编辑：汤梓红