什么是系統調用？
Linux內核中設置了一組用于實(shí)現各種系統功能的子程序，稱(chēng)為系統調用。用戶(hù)可以通過(guò)系統調用命令在自己的應用程序中調用它們。從某種角度來(lái)看，系統調用和普通的函數調用非常相似。區別僅僅在于，系統調用由操作系統核心提供，運行于核心態(tài)；而普通的函數調用由函數庫或用戶(hù)自己提供，運行于用戶(hù)態(tài)。二者在使用方式上也有相似之處，在下面將會(huì )提到。
隨Linux核心還提供了一些C語(yǔ)言函數庫，這些庫對系統調用進(jìn)行了一些包裝和擴展，因為這些庫函數與系統調用的關(guān)系非常緊密，所以習慣上把這些函數也稱(chēng)為系統調用。
Linux中共有多少個(gè)系統調用？
這個(gè)問(wèn)題可不太好回答，就算讓Linus Torvaldz本人也不見(jiàn)得一下子就能說(shuō)清楚。
在2.4.4版內核中，狹義上的系統調用共有221個(gè)，你可以在<內核源碼目錄>/include/asm-i386/unistd.h中找到它們的原本，也可以通過(guò)命令"man 2 syscalls"察看它們的目錄（man pages的版本一般比較老，可能有很多最新的調用都沒(méi)有包含在內）。廣義上的系統調用，也就是以庫函數的形式實(shí)現的那些，它們的個(gè)數從來(lái)沒(méi)有人統計過(guò)，這是一件吃力不討好的活，新內核不斷地在推出，每一個(gè)新內核中函數數目的變化根本就沒(méi)有人在乎，至少連內核的修改者本人都不在乎，因為他們從來(lái)沒(méi)有發(fā)布過(guò)一個(gè)此類(lèi)的聲明。
隨本文一起有一份經(jīng)過(guò)整理的列表，它不可能非常全面，但常見(jiàn)的系統調用基本都已經(jīng)包含在內，那里面只有不多的一部分是你平時(shí)用得到的，本專(zhuān)欄將會(huì )有選擇的對它們進(jìn)行介紹。
為什么要用系統調用？
實(shí)際上，很多已經(jīng)被我們習以為常的C語(yǔ)言標準函數，在Linux平臺上的實(shí)現都是靠系統調用完成的，所以如果想對系統底層的原理作深入的了解，掌握各種系統調用是初步的要求。進(jìn)一步，若想成為一名Linux下編程高手，也就是我們常說(shuō)的Hacker，其標志之一也是能對各種系統調用有透徹的了解。
即使除去上面的原因，在平常的編程中你也會(huì )發(fā)現，在很多情況下，系統調用是實(shí)現你的想法的簡(jiǎn)潔有效的途徑，所以有可能的話(huà)應該盡量多掌握一些系統調用，這會(huì )對你的程序設計過(guò)程帶來(lái)意想不到的幫助。
系統調用是怎么工作的？
一般的，進(jìn)程是不能訪(fǎng)問(wèn)內核的。它不能訪(fǎng)問(wèn)內核所占內存空間也不能調用內核函數。CPU硬件決定了這些（這就是為什么它被稱(chēng)作"保護模式"）。系統調用是這些規則的一個(gè)例外。其原理是進(jìn)程先用適當的值填充寄存器，然后調用一個(gè)特殊的指令，這個(gè)指令會(huì )跳到一個(gè)事先定義的內核中的一個(gè)位置（當然，這個(gè)位置是用戶(hù)進(jìn)程可讀但是不可寫(xiě)的）。在Intel CPU中，這個(gè)由中斷0x80實(shí)現。硬件知道一旦你跳到這個(gè)位置，你就不是在限制模式下運行的用戶(hù)，而是作為操作系統的內核--所以你就可以為所欲為。
進(jìn)程可以跳轉到的內核位置叫做sysem_call。這個(gè)過(guò)程檢查系統調用號，這個(gè)號碼告訴內核進(jìn)程請求哪種服務(wù)。然后，它查看系統調用表(sys_call_table)找到所調用的內核函數入口地址。接著(zhù)，就調用函數，等返回后，做一些系統檢查，最后返回到進(jìn)程（或到其他進(jìn)程，如果這個(gè)進(jìn)程時(shí)間用盡）。如果你希望讀這段代碼，它在<內核源碼目錄>/kernel/entry.S，Entry(system_call)的下一行。
如何使用系統調用？
先來(lái)看一個(gè)例子：
#include<linux/unistd.h> /*定義宏_syscall1*/ #include<time.h> /*定義類(lèi)型time_t*/ _syscall1(time_t,time,time_t *,tloc) /*宏，展開(kāi)后得到time()函數的原型*/ main() { time_t the_time; the_time=time((time_t *)0); /*調用time系統調用*/ printf("The time is %ld\n",the_time); } 系統調用time返回從格林尼治時(shí)間1970年1月1日0:00開(kāi)始到現在的秒數。 這是最標準的系統調用的形式，宏_syscall1()展開(kāi)來(lái)得到一個(gè)函數原型，稍后我會(huì )作詳細解釋。但事實(shí)上，如果把程序改成下面的樣子，程序也可以運行得同樣的結果。 #include<time.h> main() { time_t the_time; the_time=time((time_t *)0); /*調用time系統調用*/ printf("The time is %ld\n",the_time); } |
這是因為在time.h中實(shí)際上已經(jīng)用庫函數的形式實(shí)現了time這個(gè)系統調用，替我們省掉了調用_syscall1宏展開(kāi)得到函數原型這一步。
大多數系統調用都在各種C語(yǔ)言函數庫中有所實(shí)現，所以在一般情況下，我們都可以像調用普通的庫函數那樣調用系統調用，只在極個(gè)別的情況下，我們才有機會(huì )用到_syscall*()這幾個(gè)宏。
_syscall*()是什么？
在unistd.h里定義了7個(gè)宏，分別是
_syscall0(type,name) _syscall1(type,name,type1,arg1) _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2) _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5) _syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5,type6,arg6) |
它們看起來(lái)似乎不太像宏，但其實(shí)質(zhì)和
#define MAXSIZE 100
里面的MAXSIZE沒(méi)有任何區別。
它們的作用是形成相應的系統調用函數原型，供我們在程序中調用。我們很容易就能發(fā)現規律，_syscall后面的數字和typeN,argN的數目一樣多。事實(shí)上，_syscall后面跟的數字指明了展開(kāi)后形成函數的參數的個(gè)數，讓我們看一個(gè)實(shí)例，就是剛剛用過(guò)的time系統調用：
_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc) |
展開(kāi)后的情形是這樣：
time_t time(time_t * tloc) { long __res; __asm__ volatile("int $0x80" : "=a" (__res) : "0" (13),"b" ((long)(tloc))); do { if ((unsigned long)(__res) >= (unsigned long)(-125)) { errno = -(__res); __res = -1; } return (time_t) (__res); } while (0) ; } |
可以看出，_syscall1(time_t,time,time_t *,tloc)展開(kāi)成一個(gè)名為time的函數，原參數time_t就是函數的返回類(lèi)型，原參數time_t *和tloc分別構成新函數的參數。事實(shí)上，程序中用到的time函數的原型就是它。
errno是什么？
為防止和正常的返回值混淆，系統調用并不直接返回錯誤碼，而是將錯誤碼放入一個(gè)名為errno的全局變量中。如果一個(gè)系統調用失敗，你可以讀出errno的值來(lái)確定問(wèn)題所在。
errno不同數值所代表的錯誤消息定義在errno.h中，你也可以通過(guò)命令"man 3 errno"來(lái)察看它們。
需要注意的是，errno的值只在函數發(fā)生錯誤時(shí)設置，如果函數不發(fā)生錯誤，errno的值就無(wú)定義，并不會(huì )被置為0。另外，在處理errno前最好先把它的值存入另一個(gè)變量，因為在錯誤處理過(guò)程中，即使像printf()這樣的函數出錯時(shí)也會(huì )改變errno的值。
系統調用兼容性好嗎？
很遺憾，答案是--不好。但這決不意味著(zhù)你的程序會(huì )三天兩頭的導致系統崩潰，因為系統調用是Linux的內核提供的，所以它們工作起來(lái)非常穩定，對于此點(diǎn)無(wú)需絲毫懷疑，在絕大多數的情況下，系統調用要比你自己編寫(xiě)的代碼可靠而高效的多。
但是，在Linux的各版本內核之間，系統調用的兼容性表現得并不像想象那么好，這是由Linux本身的性質(zhì)決定的。Linux是一群程序設計高手利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)發(fā)出來(lái)的，他們中間的大部分人沒(méi)有把Linux當成一個(gè)嚴肅的商業(yè)軟件，（現在的情況有些不同了，隨著(zhù)Linux商業(yè)公司和以L(fǎng)inux為生的人的增長(cháng)，不少人的腦筋發(fā)生了變化。）結果就是，如果新的方案在效率和兼容性上發(fā)生了矛盾，他們往往舍棄兼容性而追求效率，就這樣，如果他們認為某個(gè)系統調用實(shí)現的比較糟糕，他們就會(huì )毫不猶豫的作出修改，有些時(shí)候甚至連接口也一起改掉了，更可怕的是，很多時(shí)候，他們對自己的修改連個(gè)招呼也不打，在任何文檔里都找不到關(guān)于修改的提示。這樣，每當新內核推出的時(shí)候，很可能都會(huì )悄悄的更新一些系統調用，用戶(hù)編制的應用程序也會(huì )跟著(zhù)出錯。
說(shuō)到這里，你是不是感覺(jué)前途一片昏暗呢？呵呵，不用太緊張，如前面所說(shuō)，隨著(zhù)越來(lái)越多的人把Linux當成自己的飯碗，不兼容的情況也越來(lái)越罕見(jiàn)。從2.2版本以后的Linux內核已經(jīng)非常穩定了，不過(guò)盡管如此，你還是有必要在每個(gè)新內核推出之后，對自己的應用程序進(jìn)行兼容性測試，以防止意外的發(fā)生。
該如何學(xué)習使用Linux系統調用呢？
你可以用"man 2 系統調用名稱(chēng)"的命令來(lái)查看各條系統調用的介紹，但這首先要求你要有不錯的英語(yǔ)基礎，其次還得有一定的程序設計和系統編程的功底，man pages不會(huì )涉及太多的應用細節，因為它只是一個(gè)手冊而非教程。如果man pages所提供的東西不能使你感到非常滿(mǎn)意，那就跟我來(lái)吧，本專(zhuān)欄將向你展示Linux系統調用編程的無(wú)窮魅力。
雖然本專(zhuān)欄并非異常高深的技術(shù)文章，但是還對讀者有兩點(diǎn)小小的要求：1)讀者必須有一定的C語(yǔ)言編程經(jīng)驗，本專(zhuān)欄不會(huì )在語(yǔ)言細節上過(guò)分糾纏；2)讀者必須有一定的Linux使用經(jīng)驗，本專(zhuān)欄也不打算在Linux應用上大動(dòng)干戈。舉一個(gè)小小的測試標準，如果你能完全看懂本文從開(kāi)頭到這里所講的東西，你就合格了。收拾好行囊，準備出發(fā)吧！
