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相信大家在面试或者刷面试题的时候经常能看到这样的问题#xff0c;“简述一下系统调用和库函数的区别”。
系统调用是操作系统提供给用户的接口#xff0c;能让用户空间的程序有入口访问内核。而库函数数一组标准函数#xff0c;比如复合 POSIX 或…系统调用和库函数的区别
相信大家在面试或者刷面试题的时候经常能看到这样的问题“简述一下系统调用和库函数的区别”。
系统调用是操作系统提供给用户的接口能让用户空间的程序有入口访问内核。而库函数数一组标准函数比如复合 POSIX 或者 sysv 标准的函数。 在 linux 内核中系统调用是专门提供给用户态程序调用的接口内核通常是不会主动调用这些函数的。而不同操作系统中系统调用的实现都不相同。 库函数遵循标准主要是为了考虑移植性问题。同时库函数大多都有缓存机制且有些库函数会调用系统调用来实现。我们看下 《Expert C Programming》 一书中的教科书式的回答。
库函数系统调用所有的 ANSI C 编译器版本中C 函数库都是相同的各个操作系统的系统调用是不同的它调用函数库中的一个程序它调用系统内核的服务在用户地址空间执行在内核地址空间执行它的运行时间属于 ”用户“时间它的运行时间属于 ”系统“时间属于过程调用开销较小需要切换到内核上下文环境中然后再切换回来开销较大在 C 函数库libc中有大约300多个程序在 UNIX 中大约有 90 个系统调用(MS-DOS 中少一些)记录与 UNIX OS man page 的第二节记录与 UNIX OS man page 的第三节典型的 C 函数库调用fopen, system, fprintf典型的系统调用open, chdir, write, fork, brk
库函数调用通常比行内展开的代码慢(可以理解成内联) 这是因为存在函数调用开销。但是系统调用需要从用户态切换到内核态再切换回用户态的过程会比库函数调用还慢。 特别需要注意一点system 是库函数而不是系统调用。 以上列出的这个区别应该是很完善的答案了如果在面试环节遇到这个问题这么回答肯定是不错的。那么通常我们在 linux 系统中看到的 manpage 的 第 2 章节就是系统调用的介绍第三章节就是库函数的介绍那么分别调用这两个章节的函数的话比如
int open(const char *pathname, int flags);
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);那编译器在编译的时候是如何处理的呢系统调用是操作系统提供的接口的话编译器在编译的时候需要链接吗
我们来浅浅的分析一下。
实例解析
我们来看一个简单的 c 代码的例子
#include stdio.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include unistd.h
#include fcntl.h#define FILENAME test.txtvoid test_system_call() {int fd open(FILENAME, O_RDWR);close(fd);
}void test_standard_libs() {FILE* fp fopen(FILENAME, rw);fclose(fp);
}int main(int argc, char *argv[])
{test_system_call();test_standard_libs();return 0;
}上面这个程序分别调用了系统调用 open 和标准库函数 fopen。可以通过 man 2 open 和 man 3 fopen 看下这两个函数的详细介绍。我们先看下 man man 中对章节的介绍。
DESCRIPTIONman is the systems manual pager. Each page argument given to man is normally the name of a program, utility or function. The manual page asso‐ciated with each of these arguments is then found and displayed. A section, if provided, will direct man to look only in that section of themanual. The default action is to search in all of the available sections following a pre-defined order (1 n l 8 3 2 3posix 3pm 3perl 5 4 9 6 7by default, unless overridden by the SECTION directive in /etc/manpath.config), and to show only the first page found, even if page exists inseveral sections.The table below shows the section numbers of the manual followed by the types of pages they contain.1 Executable programs or shell commands2 System calls (functions provided by the kernel)3 Library calls (functions within program libraries)4 Special files (usually found in /dev)5 File formats and conventions eg /etc/passwd6 Games7 Miscellaneous (including macro packages and conventions), e.g. man(7), groff(7)8 System administration commands (usually only for root)9 Kernel routines [Non standard]可以看到第二章节就是系统调用第三章节就是库函数。
使用 gcc 进行编译使用 debug 模式
gcc -g test.c -o test用 readelf 看下符号
$ readelf -sW test
Symbol table .dynsym contains 7 entries:Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND1: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND fcloseGLIBC_2.2.5 (2)2: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND closeGLIBC_2.2.5 (2)3: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_mainGLIBC_2.2.5 (2)4: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__5: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND openGLIBC_2.2.5 (2)6: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND fopenGLIBC_2.2.5 (2)
......结果是不是跟想象中的有点不太一样。我们发现无论是 fopen 还是 open 都是 GLIBC 的符号。也就是说这里所谓的系统调用 open 函数其实仅仅是 libc 中的一个函数定义。
换句话说manpage 中的第二章节是一个系统调用的描述封装了对kernel系统调用的接口。 The section describes all of the system calls(requests for kernel to perform operations). 而编译后的二进制文件 test 也仅仅依赖 libc.so 库
$ readelf -dW test | grep NEEDED0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6]从这里可以看出编译器在编译时只需要知道 open 或者 fopen 的头文件这些头文件是 glibc 提供的。在链接器链接时这些函数实际的定义都是在 libc.so 中通过共享库的链接方式进行链接这些符号都是动态符号需要进行地址重定位的而跟kernel没什么关系。
那么 libc 中的描述的系统调用到底是什么呢我们来看下 open 这个系统调用。
open 在 libc 中的实现
在 sysdeps/unix/sysv/linux/open.c 有如下实现
/* Open FILE with access OFLAG. If O_CREAT or O_TMPFILE is in OFLAG,a third argument is the file protection. */
int
__libc_open (const char *file, int oflag, ...)
{int mode 0;if (__OPEN_NEEDS_MODE (oflag)){va_list arg;va_start (arg, oflag);mode va_arg (arg, int);va_end (arg);}return SYSCALL_CANCEL (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode);
}weak_alias (__libc_open, open)weak_alias 是一个宏用于创建弱符号别名。这里是将 __libc_open 这个符号创建为 open 的弱别名。也就是说如果其他模块提供了 open 的实现那么在链接时链接器会使用该版本的 open 实现而不是 __libc_open。
在 __libc_open 中调用了宏 SYSCALL_CANCEL该宏在 sysdeps/unix/sysdep.h 中进行了定义。
#define SYSCALL_CANCEL(...) \({ \long int sc_ret; \if (NO_SYSCALL_CANCEL_CHECKING) \sc_ret INLINE_SYSCALL_CALL (__VA_ARGS__); \else \{ \int sc_cancel_oldtype LIBC_CANCEL_ASYNC (); \sc_ret INLINE_SYSCALL_CALL (__VA_ARGS__); \LIBC_CANCEL_RESET (sc_cancel_oldtype); \} \sc_ret; \})
核心调用就是 INLINE_SYSCALL_CALL我用来分析下 open 这个实现中整个宏展开的一个过程。
INLINE_SYSCALL_CALL (__VA_ARGS)INLINE_SYSCALL_CALL(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)这些宏定义在 sysdeps/unix/sysdep.h 中可以找到
INLINE_SYSCALL_CALL (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)__INLINE_SYSCALL_DISP (__INLINE_SYSCALL, openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)__SYSCALL_CONCAT (__INLINE_SYSCALL, __INLINE_SYSCALL_NARGS(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode))(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)来分析一下 __INLINE_SYSCALL_NARGS 这个宏
#define __INLINE_SYSCALL_NARGS_X(a,b,c,d,e,f,g,h,n,...) n
#define __INLINE_SYSCALL_NARGS(...) \__INLINE_SYSCALL_NARGS_X (__VA_ARGS__,7,6,5,4,3,2,1,0,)这个宏的作用是计算参数的个数数字和字母参数就是占位符的作用。把上面的宏展开就是
__INLINE_SYSCALL_NARGS(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)__INLINE_SYSCALL_NARGS_X (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode,7,6,5,4,3,2,1,0,)参数对应关系如下所示
a - openat
b - AT_FDCWD
c - file
d - oflag
e - mode
f - 7
g - 6
h - 5
n - 4n 就是最终结果为 4。所以上面的宏继续展开就是
__SYSCALL_CONCAT (__INLINE_SYSCALL, __INLINE_SYSCALL_NARGS(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode))(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)__SYSCALL_CONCAT (__INLINE_SYSCALL, 4)(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)__INLINE_SYSCALL4 (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)INLINE_SYSCALL (openat, 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)在 sysdeps/unix/sysv/sysdep.h 中可以找到
/* Define a macro which expands into the inline wrapper code for a systemcall. It sets the errno and returns -1 on a failure, or the syscallreturn value otherwise. */
#undef INLINE_SYSCALL
#define INLINE_SYSCALL(name, nr, args...) \({ \long int sc_ret INTERNAL_SYSCALL (name, nr, args); \__glibc_unlikely (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (sc_ret)) \? SYSCALL_ERROR_LABEL (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (sc_ret)) \: sc_ret; \})INLINE_SYSCALL 也是一个封装的宏函数关键调用的是 INTERNAL_SYSCALL 这个宏函数。我们看下 arm 架构下这个宏的实现。在 sysdeps/unix/sysv/linux/arm/sysdep.h 中
#define INTERNAL_SYSCALL(name, nr, args...) \INTERNAL_SYSCALL_RAW(SYS_ify(name), nr, args)具体实现就在 INTERNAL_SYSCALL_RAW 这个宏函数中了。
可以看到libc 中的实现实际调用的是 syscall 汇编指令。
通过 man syscall 可以查看下简介系统调用的描述
Architecture calling conventionsEvery architecture has its own way of invoking and passing arguments to the kernel. The details for various architectures are listed in the twotables below.The first table lists the instruction used to transition to kernel mode, (which might not be the fastest or best way to transition to the kernel,so you might have to refer to vdso(7)), the register used to indicate the system call number, and the register used to return the system callresult.arch/ABI instruction syscall # retval Notes───────────────────────────────────────────────────────────────────arm/OABI swi NR - a1 NR is syscall #arm/EABI swi 0x0 r7 r0arm64 svc #0 x8 x0blackfin excpt 0x0 P0 R0i386 int $0x80 eax eaxia64 break 0x100000 r15 r8 See belowmips syscall v0 v0 See belowparisc ble 0x100(%sr2, %r0) r20 r28s390 svc 0 r1 r2 See belows390x svc 0 r1 r2 See belowsparc/32 t 0x10 g1 o0sparc/64 t 0x6d g1 o0x86_64 syscall rax rax See belowx32 syscall rax rax See below这张表列出了不同系统传递给kernel的指令。在 arm/EABI 架构中就是 swi 0x0这与上面这个内嵌汇编中的调用是一样的。而在 arm 汇编中 syscall 表示注释说明这是一条系统调用的指令。而第二张表描述了不同架构传递给系统调用的参数所使用的寄存器。 The second table shows the registers used to pass the system call arguments.arch/ABI arg1 arg2 arg3 arg4 arg5 arg6 arg7 Notes──────────────────────────────────────────────────────────────────arm/OABI a1 a2 a3 a4 v1 v2 v3arm/EABI r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6arm64 x0 x1 x2 x3 x4 x5 -blackfin R0 R1 R2 R3 R4 R5 -i386 ebx ecx edx esi edi ebp -ia64 out0 out1 out2 out3 out4 out5 -mips/o32 a0 a1 a2 a3 - - - See belowmips/n32,64 a0 a1 a2 a3 a4 a5 -parisc r26 r25 r24 r23 r22 r21 -s390 r2 r3 r4 r5 r6 r7 -s390x r2 r3 r4 r5 r6 r7 -sparc/32 o0 o1 o2 o3 o4 o5 -sparc/64 o0 o1 o2 o3 o4 o5 -x86_64 rdi rsi rdx r10 r8 r9 -x32 rdi rsi rdx r10 r8 r9 -我们关注 arm/EABI 架构可以使用 7 个参数分别对应 r0 - r6 一共 7 个寄存器。来分析下上图中的代码。_a1 对应寄存器 r0而 _nr 表示系统调用号对应寄存器 r7。这个系统调用号是什么意思呢
在分析上面的宏展开时最终调用的是
INTERNAL_SYSCALL_RAW(SYS_ify(name), nr, args)而
_nr name;这个 name 就是 SYS_ify(name) 的值而 SYS_ify 这个宏定义为
#define SYS_ify(syscall_name) (__NR_##syscall_name)展开就是 __NR_openat这个就是系统调用号在 linux 系统头文件 asm-generic/unistd.h 中定义
#define __NR_openat 56回到上面的问题。其余参数的传递就是通过
LOAD_ARGS_##nr (args)
ASM_ARGS_##_nr来实现的这里的 nr 的值是 4可以从上面的宏展开分析得知。
ASM_ARGS_4 展开ASM_ARGS_3, r (_a4)ASM_ARGS_2, r (_a3), r (_a4)ASM_ARGS_1, r (_a2), r (_a3), r (_a4)ASM_ARGS_0, r (_a1), r (_a2), r (_a3), r (_a4), r (_a1), r (_a2), r (_a3), r (_a4)这样open 这个系统调用使用 swi 0x0 指令输出到 r0 寄存器对应的变量 _a1 中_nr 对应寄存器 a7 为系统调用号其余输入参数 _a1 - _a4 对应寄存器 r1 - r4。当调用 swi 0x0 指令时会触发一个软中断cpu 会暂停当前程序的执行而跳转到 kernel 中去执行这个中断处理函数执行相应的操作。
总结
我们通常使用的系统调用在 manpage 第二章节所描述的函数其实是 libc 中封装的函数这个函数就是对应系统调用的描述以一个 c 函数的形式提供给用户使用。而实际的实现是在 libc 中根据特定架构提供的指令以汇编的形式实现的。比如上面分析的系统调用 open是通过 swi 0x0 这个软中断来触发的而系统调用号以及软中断的处理过程是在 kernel 中实现的。
这就可以解释上面那个 test 程序了。编译器在实际编译的时候不管是库函数 fopen 还是系统调用 open 都是当做一个外部函数符号来处理的。在链接器进行链接的时候在 libc.so 中找到了函数定义并链接。而程序运行时动态链接器加载 libc.so 并对 open 和 fopen 进行地址重定位当执行 open 或者 fopen 时跳转到 libc.so 中对应的函数处执行。
今天的分享就到这里我是猫步旅人一个对 kernel 和编译器感兴趣的程序员。
