Linux高级系统编程中的系统调用

概念

是操作系统提供给用户使其可以操作内核提供服务的一组函数接口。

用户态和内核态：

引入：

整个计算机系统的。好比你写一个程序，但是因为你对硬件操作不熟悉，出现问题，那么影响范围是多大？是整个计算机系统，操作系统内核、及其其他所有正在运行的程序，都会因为你操作失误而受到不可挽回的错误，那么你只有重启整个计算机才行而对于硬件的操作是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须及其谨慎的进行操作，这对于个人开发者来说是个艰巨的任务，同时个人开发者在这方面也是不被信任的。所以操作系统内核直接屏蔽了个人开发者对于硬件操作的可能.

这方面系统内核对硬件操作进行了封装处理，对外提供标准函数库，操作更简单、更安全。比如我们要打开一个文件，C 标准函数库中对应的是 fopen() ，其内部封装的是内核中的系统函数open() 因为这个需求，硬件设备商直接提供了硬件级别的支持，做法就是对 CPU 指令设置了权限，不同级别的权限可以使用的 CPU 指令是有限制的。以 Inter CPU 为例， Inter 把 CPU 指令操作的权限划为 4 级：

ring 0

ring 1

ring 2

ring 3

其中 ring 0 权限最高，可以使用所有 CPU 指令， ring 3 权限最低，仅能使用常规 CPU 指令，这个级别的权限不能使用访问硬件资源的指令，比如 IO 读写、网卡访问、申请内存都不行，都没有权限

Linux 系统内核采用了： ring 0 和 ring 3 这 2 个权限

ring 0:

内核态 , 完全在操作系统内核中运行，由专门的内核线程在 CPU 中执行其任务

ring 3:

用户态 , 在应用程序中运行，由用户线程在 CPU 中执行其任务 Linux 系统中所有对硬件资源的操作都必须在内核态状态下执行，比如 IO 的读写，网络的操作

区别：

1,用户态的代码必须由用户线程去执行、内核态的代码必须由内核线程去执行

2,用户态、内核态或者说用户线程、内核线程可以使用的资源是不同的，尤体现在内存资源上。Linux 内核对每一个进程都会分配 4G 虚拟内存空间地址

用户态： --> 只能操作 0-3G 的内存地址

内核态： --> 0-4G 的内存地址都可以操作，尤其是对 3-4G 的高位地址必须由内核态去操作，因为所有进程的 3-4G 的高位地址使用的都是同一块、专门留给系统内核使用的 1G 物理内存

3.所有对硬件资源、系统内核数据的访问都必须由内核态去执行

如何切换内核态

通过软件中断

软件中断

软件中断是由软件程序触发的中断，如系统调用、软中断、异常等。软件中断不是由硬件设备触发的，而是由软件程序主动发起的，一般用于系统调用、进程切换、异常处理等任务。软件中断需要在程序中进行调用，其响应速度和实时性相对较差，但是具有灵活性和可控性高的特点。

如程序中出现的内存溢出, 数组下标越界等

硬件中断

硬件中断是由硬件设备触发的中断，如时钟中断、串口接收中断、外部中断等。当硬件设备有数据或事件需要处理时，会向CPU 发送一个中断请求， CPU 在收到中断请求后，会立即暂停当前正在执行的任务，进入中断处理程序中处理中断请求。硬件中断具有实时性强、可靠性高、处理速度快等特点。

如当点击按钮扫描系统高低电频时等

系统调用与库函数的关系

库函数可以调用系统调用提供的接口 , 也可以不调用系统调用提供的接口

如

不调用系统调用的库函数:strcpy,bzero 等

调用系统调用的库函数:fread,printf 等

注意 :

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。

文件操作

文件描述符概念

文件描述符是一个非负整数, 代表已打开的文件。

每一个进程都会创建一张文件描述符表记录的是当前进程打开的所有文件描述符。

每一个进程默认打开三个文件描述符：

0(标准输入设备 scanf)

1(标准输出设备 printf)

2(标准错误输入设备 perror) 。

新打开的文件描述符为最小可用文件描述符。

扩展

ulimit是一个计算机命令，用于 shell 启动进程所占用的资源，可用于修改系统资源限制。使用ulimit 命令用于临时修改资源限制，如果需要永久修改需要将设置写入配置文件/etc/security/limits.conf 。

ulimit -a 查看 open files 打开的文件最大数。

ulimit -n 最大数设置 open files 打开的文件最大数。

文件读写

第一位说是文件还是文件夹

2~4位说明所有者权限

5~7位说明同组用户权限

8~10位说明其他用户权限

r 4

w 2

x 1

注意

man 2 系统调用

查看系统调用函数对应的头文件与函数信息

语法 :

open: 打开文件

所需头文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

函数

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数

pathname:打开的文件地址

flags:代码操作文件的权限

必选项

O_RDONLY 以只读的方式打开

O_WRONLY 以只写的方式打开

O_RDWR 以可读、可写的方式打开

可选项

O_CREAT 文件不存在则创建文件，使用此选项时需使用 mode 说明文件的权限

O_EXCL 如果同时指定了 O_CREAT ，且文件已经存在 , 则打开 , 如果文件不存在则新建

O_TRUNC 如果文件存在，则清空文件内容

O_APPEND 写文件时，数据添加到文件末尾

O_NONBLOCK 对于设备文件 , 以 O_NONBLOCK 方式打开可以做非阻塞 I/O

mode: 文件在磁盘中的权限

格式 :

0ddd

d的取值 :4( 可读 ),2( 可写 ),1( 可执行 )

第一个 d: 所有者权限

第二个 d: 同组用户权限

第三个 d: 其他用户权限

如果需要可读可写就是 6, 可读可执行 5 等

如 :

0666:所有者可读可写 , 同组用户可读可写 , 其他用户可读可写

0765:所有者可读可写可执行 , 同组用户可读可写 , 其他用户可读可执行

返回值：

成功：得到最小可用的文件描述符

失败：-1

经验 :

操作已有文件使用两参

新建文件使用三参

close 关闭文件

所需头文件

#include <unistd.h>

函数

int close(int fd);

参数

关闭的文件描述符

返回值

成功：0

失败： -1, 并设置 errno

示例 : 以只读的方式打开关闭文件

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{//1打开文件// man 2 系统调用函数名// int open(const char *pathname, int flags);// int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);int fileTag = open("a.txt",O_RDONLY);if (fileTag < 0){printf("读取文件不存在,文件标识符为:%d\n",fileTag);return 0;}printf("文件打开成功,文件标识符为:%d\n",fileTag);int tag = close(fileTag);if (tag < 0){printf("关闭文件失败\n");}else{printf("关闭文件成功\n");}return 0;
}

示例 : 以写的方式打开关闭文件

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{//1打开文件// man 2 系统调用函数名// int open(const char *pathname, int flags);// int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);int fileTag = open("a.txt",O_WRONLY| O_CREAT, 0644);if (fileTag < 0){printf("文件不存在,文件标识符为:%d\n",fileTag);return 0;}printf("文件打开成功,文件标识符为:%d\n",fileTag);int tag = close(fileTag);if (tag < 0){printf("关闭文件失败\n");}else{printf("关闭文件成功\n");}return 0;
}

write 写入

所需头文件

#include <unistd.h>

函数

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数

fd:写入的文件描述符

buf:写入的内容首地址

count:写入的长度 , 单位字节

返回值

成功: 返回写入的内容的长度 , 单位字节

失败:-1

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{int fileTag = open("a.txt",O_WRONLY| O_CREAT | O_APPEND, 0744);if (fileTag < 0){printf("文件不存在,文件标识符为:%d\n",fileTag);return 0;}char str[] = "hello";int len = write(fileTag,str,sizeof(str)-1);if(len < 0){printf("写入失败\n");}else{printf("写入成功len = %d,%d\n",len,sizeof(str));}int tag = close(fileTag);if (tag < 0){printf("关闭文件失败\n");}else{printf("关闭文件成功\n");}return 0;
}

read 读取

所需头

#include <unistd.h>

函数

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

fd:文件描述符

buf:内存首地址

count:读取的字节个数

返回值：

成功: 实际读取到的字节个数

失败:-1

示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{int id = open("a.txt",O_RDONLY);if(id < 0){printf("文件打开失败\n");return 0;}char buf[50] = "";int len = read(id,buf,sizeof(buf));printf("%s",buf);if (close(id) < 0){printf("文件关闭失败\n");}return 0;
}

示例 : 文件复制

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{int fd_r = open("a.txt",O_RDONLY);if(fd_r < 0){printf("读取文件打开失败\n");return 0;}int fd_w = open("b.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);if(fd_w < 0){printf("写入文件打开失败\n");return 0;}while (1){char buf[3] = "";int len = read(fd_r,buf,sizeof(buf));int size = write(fd_w,buf,len);if (len < sizeof(buf)){break;}}if (close(fd_w) < 0){printf("写入文件关闭失败\n");}if (close(fd_r) < 0){printf("读取文件关闭失败\n");}printf("OVER\n");return 0;
}

文件的阻塞特性

read默认为阻塞。如果读不到数据，将阻塞不继续执行知道有数据可读，才继续往下执行。

非阻塞特性：如果没数据，立即返回，继续执行。

注意: 阻塞与非阻塞是对于文件而言的，而不是指 read 、 write 等的属性。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{//dev:liunx设备存储文件夹//tty:终端///dev/tty:表示当前终端int fd = open("/dev/tty",O_RDONLY);//O_NONBLOCK:设置打开的文件为非阻塞// int fd = open("/dev/tty",O_RDONLY|O_NONBLOCK);char buf[32] = "";printf("开始读取\n");read(fd,buf,sizeof(buf));printf("读取结束\n");return 0;
}

通过 open 打开的文件可以设置非阻塞 , 但是如果不是通过 open 打开的文件怎么办 ?

通过 fcntl 函数来解决

funtl

作用 : 针对已经存在的文件描述符设置阻塞状态

所需头文件

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

函数 :

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

功能 :

改变已打开的文件性质， fcntl 针对描述符提供控制。

参数：

fd ：操作的文件描述符

cmd ：操作方式

arg ：针对 cmd 的值， fcntl 能够接受第三个参数 int arg 。

返回值：

成功：返回某个其他值

失败： -1

fcntl 函数有 5 种功能：

1) 复制一个现有的描述符（ cmd=F_DUPFD ）

2) 获得／设置文件描述符标记 (cmd=F_GETFD 或 F_SETFD)

3) 获得／设置文件状态标记 (cmd=F_GETFL 或 F_SETFL)

4) 获得／设置异步 I/O 所有权 (cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN)

5) 获得／设置记录锁 (cmd=FGETLK, F_SETLK 或 F_SETLKW)

使用步骤

1,获取文件状态标记

2,将得到的文件状态标记设置为非阻塞

3,将修改后的文件非阻塞状态标记 , 设置到当前文件描述符中

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1,获取文件标记状态
int status = fcntl(0,F_GETFL);
//2修改状态为非阻塞状态
status = status | O_NONBLOCK;
//3,设置文件标记状态为非阻塞状态
fcntl(0,F_SETFL,status);
char buf[32]="";
printf("开始读取\n");
//0(标准输入设备scanf)
int len = read(0,buf,sizeof(buf));
printf("结束读取,读取到的内容为:%s\n",buf);
return 0;
}

文件状态

语法

作用 :

获取文件状态信息

所需头

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

函数

int stat(const char *path, struct stat *buf);

int lstat(const char *pathname, struct stat *buf);

参数

1参 : 文件地址

2参 : 保存文件信息的结构体

返回值

0:成功

-1:失败

stat 与 lstat 的区别

当文件是一个符号链接时

lstat 返回的是该符号链接本身的信息 ,

stat 返回的是该链接指向的文件的信息。

stat 结构体解释

struct stat {
dev_t st_dev; //文件的设备编号
ino_t st_ino; //节点
mode_t st_mode; //文件的类型和存取的权限
nlink_t st_nlink; //连到该文件的硬连接数目,刚建立的文件值为 1
uid_t st_uid; //用户 ID
gid_t st_gid; //组 ID
dev_t st_rdev; //(设备类型)若此文件为设备文件，则为其设备编号
off_t st_size; //文件字节数(文件大小)
blksize_t st_blksize; //块大小(文件系统的 I/O 缓冲区大小)
blkcnt_t st_blocks; //块数
time_t st_atime; //最后一次访问时间
time_t st_mtime; //最后一次修改时间
time_t st_ctime; //最后一次改变时间(指属性)
};

stat 结构体 st_mode 属性

一个由16 个字节组成 , 简称 16 位

0~2其他人权限

3~5所属组权限

6~8所有者权限

12~15文件类型

具体参考下图

存储权限

S_ISUID 04000 set-user-ID bit

S_ISGID 02000 set-group-ID bit (see below)

S_ISVTX 01000 sticky bit (see below)

S_IRWXU 00700 owner has read, write, and execute permission

S_IRUSR 00400 owner has read permission

S_IWUSR 00200 owner has write permission

S_IXUSR 00100 owner has execute permission

S_IRWXG 00070 group has read, write, and execute permission

S_IRGRP 00040 group has read permission

S_IWGRP 00020 group has write permission

S_IXGRP 00010 group has execute permission

S_IRWXO 00007 others (not in group) have read, write, and execute permission

S_IROTH 00004 others have read permission

S_IWOTH 00002 others have write permission

S_IXOTH 00001 others have execute permission

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>//open
#include <sys/stat.h>//open
#include <fcntl.h>//open
#include <unistd.h>//close
int main(int argc, char *argv[])
{
//获取文件状态
struct stat st;
stat("a.txt", &st);
//分析文件类型
if(S_ISREG(st.st_mode))
{
printf("普通文件\n");
}
else if (S_ISDIR(st.st_mode))
{
printf("目录文件\n");
}
//分析权限
if((st.st_mode & S_IRUSR) ==S_IRUSR )
{
printf("所有者具有读权限\n");
}
if((st.st_mode & S_IWUSR) ==S_IWUSR)
{
printf("所有者具有写权限\n");
}
if((st.st_mode & S_IXUSR) ==S_IXUSR)
{
printf("所有者具有执行权限\n");
}
printf("文件的大小:%ld\n", st.st_size);
return 0;
}