1.11 系统调用和库函数

所有的操作系统都提供多种服务的入口点，程序由此向内核请求服务。各种版本的UNIX 实现都提供定义明确、数量有限、可直接进入内核的入口点，这些入口点被称为系统调用（见图1-1）。Research UNIX第7版提供了约50个系统调用，4.4BSD提供了约110 个，而SVR4则提供了约120个。Linux的不同版本提供了240～260个系统调用。FreeBSD大约提供了320个。

系统调用接口总是在《UNIX程序员手册》的第2部分中说明，其定义也包括在C语言中，这与具体系统如何调用系统调用的实现技术无关。与很多早期的操作系统不同，这些系统按传统方式在机器的汇编语言中定义内核入口点。UNIX所使用的技术是为每个系统调用在标准C库中设置一个具有同样名字的函数。用户进程用标准C调用序列来调用这些函数，然后，函数又用系统所要求的技术调用相应的内核服务。例如函数可将一个或多个C参数送入通用寄存器，然后执行某个产生软中断进入内核的机器指令。从应用角度考虑，可将系统调用视作为C函数。

《UNIX程序员手册》的第3部分定义了程序员可以使用的通用函数。虽然这些函数可能会调用一个或多个内核的系统调用，但是它们并不是内核的入口点。例如，printf函数会调用write系统调用以输出一个字符串，但函数strcpy（复制一字符串）和atoi（变换ASCII为整数）并不使用任何系统调用。

从实现者的角度观察，系统调用和库函数之间有重大区别；但从用户角度来看，其区别并不非常重要。在本书中，系统调用和库函数都以C函数的形式出现，两者都为应用程序提供服务。但是，我们应当理解，必要时我们可以替换库函数，而通常却不能替换系统调用。

以存储器分配函数malloc为例。有多种方法可以进行存储器分配及与其相关的无用区收集操作（最佳适应、首次适应等），并不存在对所有程序都最佳的一种技术。UNIX系统调用中处理存储器分配的是sbrk(2)，它不是一个通用的存储器管理器。它按指定字节数增加或减少进程地址空间。如何管理该地址空间却取决于进程。存储器分配函数malloc(3)实现一种特定类型的分配。如果我们不喜欢其操作方式，则可以定义自己的malloc函数，它很可能将使用sbrk系统调用。事实上，有很多软件包，它们使用sbrk系统调用实现自己的存储器分配算法。图1-2显示了应用程序、malloc函数以及sbrk系统调用之间的关系。

从中可见，两者职责不同，内核中的系统调用分配另外一块空间给进程，而库函数malloc则在用户层次管理这一空间。

另一个可说明系统调用和库函数之间的差别的例子是UNIX系统提供的决定当前时间和日期的接口。某些操作系统提供一个系统调用以返回时间，提供另一个以返回日期。任何特殊的处理，例如正常时制和夏时制之间的转换，则由内核处理或要求人为干预。UNIX系统则不同，它只提供一条系统调用，该系统调用返回国际标准时间1970年1月1日零点以来所经过的秒数。对该值的任何解释，例如将其变换成人们可读的、适用于本地时区的时间和日期，都留给用户进程进行处理。在标准C库中，提供了若干例程以处理大多数情况。这些库函数处理各种细节，例如各种夏时制算法等。

应用程序可以调用系统调用或者库函数，而很多库函数则会调用系统调用。这在图1-3中显示。

系统调用和库函数之间的另一个差别是：系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。我们从sbrk系统调用和malloc库函数之间的差别中可以看到这一点，在以后比较不带缓冲的I/O函数（见第3章）以及标准I/O函数（见第5章）时，还将看到这种差别。

进程控制系统调用（fork、exec和wait）通常由用户应用程序直接调用（请回忆程序清单1-5中的基本shell）。但是为了简化某些常见的情况，UNIX系统也提供了一些库函数，例如22 system和popen。8.13节将说明system函数的一种实现，它使用基本的进程控制系统调用。10.18节还将强化这一实例以正确地处理信号。

为使读者了解大多数程序员应用的UNIX系统接口，我们不得不既说明系统调用，又介绍某些库函数。例如，若只说明sbrk系统调用，那么就会忽略很多应用程序使用的malloc库函数。除了必须要区分两者时，本书都将使用术语函数（function）来表示系统调用和库函数两者。