透了解系统调用助你成为Linux下编程高手

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。