标准库函数和系统调用的区别

写在前面：所谓标准库函数，这里暂时讨论C语言的标准库函数。库函数是语言本身的一部分，而系统函数是内核提供给应用程序的接口，属于系统的一部分。函数库调用是语言或应用程序的一部分，而系统调用是操作系统的一部分。

一、标准库函数和系统调用的区别

 

函数库调用	系统调用
在所有的ANSI C编译器版本中，C库函数是相同的	各个操作系统的系统调用是不同的
它调用函数库中的一段程序（或函数）	它调用系统内核的服务
与用户程序相联系	是操作系统的一个入口点
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，调用开销较小	需要在用户空间和内核上下文环境间切换，开销较大
在C函数库libc中有大约300个函数	在UNIX中大约有90个系统调用
典型的C函数库调用：system fprintf malloc	典型的系统调用：chdir fork write brk；

 

二、系统调用
      系统调用提供的函数如open, close, read, write, ioctl等，需包含头文件unistd.h。以write为例：其函数原型为 size_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes)，其操作对象为文件描述符或文件句柄fd(file descriptor)，要想写一个文件，必须先以可写权限用open系统调用打开一个文件，获得所打开文件的fd，例如 fd=open(/"/dev/video/", O_RDWR)。fd是一个整型值，每新打开一个文件，所获得的fd为当前最大fd加1。Linux系统默认分配了3个文件描述符值：0－ standard input，1－standard output，2－standard error。
系统调用通常用于底层文件访问（low-level file access），例如在驱动程序中对设备文件的直接访问。
系统调用是操作系统相关的，因此一般没有跨操作系统的可移植性。
系统调用发生在内核空间，因此如果在用户空间的一般应用程序中使用系统调用来进行文件操作，会有用户空间到内核空间切换的开销。事实上，即使在用户空间使用库函数来对文件进行操作，因为文件总是存在于存储介质上，因此不管是读写操作，都是对硬件（存储器）的操作，都必然会引起系统调用。也就是说，库函数对文件的操作实际上是通过系统调用来实现的。例如C库函数fwrite()就是通过write()系统调用来实现的。
这样的话，使用库函数也有系统调用的开销，为什么不直接使用系统调用呢？这是因为，读写文件通常是大量的数据（这种大量是相对于底层驱动的系统调用所实现的数据操作单位而言），这时，使用库函数就可以大大减少系统调用的次数。这一结果又缘于缓冲区技术。在用户空间和内核空间，对文件操作都使用了缓冲区，例如用 fwrite写文件，都是先将内容写到用户空间缓冲区，当用户空间缓冲区满或者写操作结束时，才将用户缓冲区的内容写到内核缓冲区，同样的道理，当内核缓冲区满或写结束时才将内核缓冲区内容写到文件对应的硬件媒介。

三、库函数调用

 

        标准C库函数提供的文件操作函数如fopen, fread, fwrite, fclose, fflush, fseek等，需包含头文件stdio.h。以fwrite为例，其函数原型为size_t fwrite(const void *buffer, size_t size, size_t item_num, FILE *pf)，其操作对象为文件指针FILE *pf，要想写一个文件，必须先以可写权限用fopen函数打开一个文件，获得所打开文件的FILE结构指针pf，例如pf=fopen(/ "~/proj/filename/", /"w/")。实际上，由于库函数对文件的操作最终是通过系统调用实现的，因此，每打开一个文件所获得的FILE结构指针都有一个内核空间的文件描述符 fd与之对应。同样有相应的预定义的FILE指针：stdin－standard input，stdout－standard output，stderr－standard error。
库函数调用通常用于应用程序中对一般文件的访问。
库函数调用是系统无关的，因此可移植性好。
由于库函数调用是基于C库的，因此也就不可能用于内核空间的驱动程序中对设备的操作。

 

 

Unix操作系统设计上的陈述：

    理解库函数的区别和系统调用，首先要里理解Unix的kernel mode和user mode。考虑下面的函数段：

int main()

{

    int fd = create("filename",0666);

    exit(0);
}

    在执行main函数时，是在user mode下执行，当遇到create函数时，继续在user mode下执行。然后系统将两个参数"filenam"和"0666"压入栈中或者某个寄存器，接着执行库函数create。在库函数create执行开始，系统仍然处在user mode下，接着系统将create系统调用的unique number压入寄存器（比如说r0），然后执行指令trap（operating system trap）使系统进入kernel mode，并且处理系统调用。这时，系统意识到要进行系统调用的invoke，于是从寄存器r0中取出create系统调用的unique number，从系统调用表中查找得知要invoke的系统调用是create，然后执行。执行完毕后返回库函数create的调用，库函数负责检查系统调用的执行情况（检查某些寄存器的值），然后库函数create根据检查的结果返回相应的值。在这里，trap指令类似于一个系统中断，而系统调用 create是一个特殊的中断处理函数（inerrupt handler）。

    APUE上的陈述：

    所有操作系统都提供多种服务的入口点，由此程序向系统核请求服务。各种版本的Unix都提供经良好定义的有限数目的入口点，经过这些入口点进入系统核，这些入口点被称之为系统调用(system call)，系统调用是我们不能更改的一种Unix特征。Unix版本7提供了约50个系统调用，4 3+BSD提供了约110个，而SVR4则提供了约120个。系统调用界面总是在Unix程序员手册的第二部分中说明。其定义也包括在C语言中。这与很多较早期的操作系统是不同的，这些系统按传统都在机器的汇编语言中定义系统核入口点.Unix所使用的技术是为每条系统调用在标准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，函数用系统所要求的技术调用相应的系统核服务.例如函数可将一个或几个C参数送入通用寄存器，然后执行某个产生软中断进入系统核的机器指令。

    从应用角度考虑，我们可将系统调用视作为C函数。Unix程序员手册的第三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几个系统核的系统调用，但是它们并不是系统核的入口点。例如，printf函数会调用write系统调用以进行输出操作，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。

    从实施者的角度，系统调用和库函数之间有重大区别，但从用户角度其区别并不非常重要。从本书的目的出发，系统调用和库函数在本书中都以正常的C函数的形式出现。两者都对应用程序提供服务，但是，我们应当理解，如果希望的话，我们可以代换库函数，但是通常我们却不能代换系统服务。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。它增加或减少指定字节数的进程地址空间。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，则我们可以定义自己的 malloc函数，极
其可能，它还是要调用sbrk系统调用。事实上，有很多软件包，它们实现自己的存储器分配算法，但仍使用sbrk系统调用。

     从中可见，两者职责不同，相互分开，要核中的系统调用分配另外一块空间给进程，而库函数malloc则管理这种空间。

     另一个可说明系统调用和库函数之间的差别的例子是，Unix提供决定当前时间和日期的界面。某些操作系统提供一个系统调用以返回时间，而另一个则返回日期。任何特殊的处理，例如正常时制和日光节约时制之间的转换，由系统核处理或要求人的干予。Unix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公元一九七?年一月一日午夜来所以经过的秒数。对该值的任何解释，例如将其变换成人们可读的，使用本地时区的时间和日期，都留给用户进程运行。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，例如各种日光节约时算法。应用程序可以或者调用系统调用，或者库函数，而很多库函数则会调用系统调用。另一个系统调用和库函数之间的差别是：系统调用通常提供一种最小界面，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看到了这一点,在以后当比较不带缓存的I/O库数(第3章)以及标准I/O标准(在第5章)时，我们还将看到这种差别。

     进程控制系统调用(fork，exec和wait)通常由用户的应用程序直接调用。(请回忆程序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system和popen。在8.12节中，我们将说明system函数的一种实现，它使用基本的进程控制系统调用。在10.18中，我们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系统界面，我们不得不既说明系统调用，只介绍某些库函数。例如若我们只说明sbrk系统调用，那么就会忽略很多应用程序使用的malloc库函数。

（PS：还有一点需要考虑可移植问题）