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摘要：《Linux內核修煉之道》第5章講解系統調用，它是應用程序和內核間的橋梁，學習並理解它是我們走向內核的一個很好的過渡。本節為大家介紹系統調用、POSIX、C庫、系統命令和內核函數。
5.1.1 系統調用、POSIX、C庫、系統命令和內核函數
（1）系統調用和POSIX。
系統調用雖然是內核和用戶應用程序之間的溝通橋梁，是用戶應用程序訪問內核的入口點，但通常情況下，應用程序是通過操作系統提供的應用編程接口（API）而不是直接通過系統調用來編程。
操作系統API的主要作用是把操作系統的功能完全展示出來，提供給應用程序，基於該操作系統，與文件、內存、時鍾、網絡、圖形、各種外設等互操作的能力。此外，操作系統API通常還提供許多工具類的功能，比如操縱字符串、各種數據類型、時間日期等。
在UNIX世界里，最通用的操作系統API基於POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX，可移植操作系統接口）標准。POSIX的誕生和UNIX的發展密不可分，UNIX於20世紀70年代誕生於Bell lab，並於20世紀80年代向美各大高校分發V7版的源碼以做研究。UC Berkeley在V7的基礎上開發了BSD UNIX。
后來很多商業廠家意識到UNIX的價值也紛紛以Bell Lab的System V或BSD為基礎來開發自己的UNIX，較著名的有Sun OS、AIX、VMS等。雖然這帶來了UNIX的繁榮，但由於各廠家對UNIX的開發各自為政，UNIX的版本相當混亂，給軟件的可移植性帶來很大困難， 對UNIX的發展極為不利。
為結束這種局面，IEEE制訂了POSIX標准，目標是提供一套大體上基於UNIX的可移植 操作系統標准，提高UNIX環境下應用程序的可移植性。然而，POSIX並不局限於UNIX。許多其他的操作系統，例如DEC OpenVMS和Microsoft Windows NT，都支持POSIX標准。
POSIX標准定義了"POSIX兼容"的操作系統所必須提供的服務。Linux兼容於 POSIX標准，提供了根據POSIX而定義的API函數。這些API函數和系統調用之間有着直接的關系，一個API函數可以由一個系統調用實現，也可以 通過調用多個系統調用來實現，還可以完全不使用任何系統調用。
（2）系統調用和C庫。
操作系統API通常都以C庫的方式提供，Linux也是如此。C庫提供了POSIX的絕大部分API，同時，內核提供的每個系統調用在C庫中都具有相應的封裝函數。系統調用與其C庫封裝函數的名稱常常相同，比如，read系統調用在C庫中的封裝函數即為read函數。
C庫中的系統調用封裝函數在最終調用到相應系統調用之前，往往不做多少額外的工作。不過，某些情況下會有些例外，比如對於兩個相關的系統調用truncate和truncate64，C庫中的封裝函數truncate函數即需要決定它們中的哪個應該最終被調用。
當然，如圖5.1所示，系統調用和C庫函數之間並不是一一對應的關系。可能幾個不同的函數會 調用到同一個系統調用，比如malloc函數和free函數都是通過brk系統調用來擴大或縮小進程的堆棧，execl、execlp、execle、 execv、execvp和execve函數都是通過execve系統調用來執行一個可執行文件。
也有可能一個函數調用多個系統調用。更有些函數並不依賴於任何系統調用，比如strcpy函數（復制字符串）和atoi函數（轉換ASCII為整數），因為它們並不需要向內核請求任何服務。
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| 圖5.1 C庫函數與系統調用 |
實際上，從用戶的角度看，系統調用和C庫之間的區別並不重要，他們只需通過C庫函數完成所需功能。相反，從內核的角度看，需要考慮的則是提供哪些針對確定目的的系統調用，並不需要關注它們如何被使用。
（3）系統調用與系統命令。
系統命令位於C庫的更上層，是利用C庫實現的可執行程序，比如最為常用的ls、cd等命令。
strace工具可以跟蹤命令的執行，使用希望跟蹤的命令為參數，並顯示出該命令執行過程中所使用到的所有系統調用。比如，如果希望了解在執行pwd命令時都調用了哪些系統調用，可以使用下面的命令：
結果會產生大量的信息，顯示出pwd命令執行過程中所調用到的各個系統調用：
……
write(1, "/usr/src/linux-2.6.23\n", 22/usr/src/linux-2.6.23) = 22
close(1) = 0
munmap(0xb7f5a000, 4096) = 0
exit_group(0)
（4）系統調用和內核函數。
內核函數與C庫函數的區別僅僅是內核函數在內核實現，因此必須遵守內核編程的規則。
系統調用最終必須具有明確的操作。用戶應用程序通過系統調用進入內核后，會執行各個系統調用對應的內核函數，即系統調用服務例程，比如系統調用getpid的服務例程是內核函數sys_getpid。
系統調用服務例程之外，內核中存在着大量的內核函數。有些局限於某個內核文件自己使用，有些則是export出來供內核其他部分共同使用。對於export出來的內核函數，可以使用ksyms命令或通過/proc/ksyms文件查看。