2024-02-21-物联网系统编程(2-系统调用)

合集 - 物联网(25)

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收起

2.系统调用

2.1 系统编程概述

操作系统的职责：操作系统用来管理所有的资源，并将不同的设备和不同的程序关联起来

Linux系统编程：在有操作系统打的环境下编程，并使用操作系统提供的系统调用及库函数，对系统资源进行访问

系统编程就是为了让用户更方便的操作硬件设备,并且对硬件设备起到保护作用。我们所写的程序，本质就是对硬件设备的操作。

2.2 系统调用概述

系统调用本质上是对硬件设备进行操作，但是linux操作系统在硬件之上设置了内核，这样只有内核才可以直接对硬件设备进行操作。

如果想操作内核，需要使用内核的系统调用，手段有以下三种：

1. shell，用户通过shell命令，经由shell解释器与操作内核的系统调用
2. 库函数，用户通过应用层库函数接口，对内核的系统调用进行操作
3. 应用层系统调用，直接对内核系统调用进行操作

系统调用是操作系统提供给用户程序的一组"特殊"的函数接口

系统调用按照功能逻辑分为：

1. 进程控制
2. 进程间通信
3. 文件系统控制
4. 系统控制
5. 内存管理
6. 网络管理
7. socket控制
8. 用户管理

系统调用的返回值:

• 返回值为0 ，成功
• 返回值为负数，错误，错误信息存放在errno中，用户可以通过perror函数打印出错信息

系统调用遵循的规范：在linux中，应用程序编程接口(API)遵循POSIX标准。

2.3 系统调用I/O函数

2.3.1 文件描述符

系统调用中操作I/O函数，都是针对文件描述符的。

文件描述符是非负整数，打开现存的文件或者新建文件时，系统（内核）会返回一个文件描述符。

当一个程序运行或者一个进程开启时，系统会自动创建三个文件描述符。

文件描述符	标准IO	说明
0	stdin	标准输入
1	stdout	标准输出
2	stderr	标准输出错误

2.3.2 open函数

打开一个文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
// 当文件存在时，使用 
int open(const char *pathname, int flag);
 
// 当文件不存在时使用
int open(const char *pathname,int flags, mode_t mode);
 
参数：
    pathname: 文件路径及文件名;
	flags：open函数的行为标志;
	mode：文件权限（可读可写可执行）的设置;
返回值：
    成功，返回打开文件的描述符
    失败, 返回-1，可以利用perror查看原因

flags的取值和含义

取值	含义
O_RDONLY	以只读方式打开
O_WRONLY	以只写方式打开
O_RDWR	以可读可写方式打开

flags除了上述取值外，还可以与下列值位或

取值	含义
O_CREAT	文件不存在时创建文件；使用此选项需要使用mode说明文件权限
O_EXCL	如果同时指定O_CREAT，且文件已经存在，则出错
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_NOBLOCK	非阻塞标志位（文件类型为FIFO、字符文件、块文件）

mode ，只有当flag含有O_CREAT时，才能使用，取值如下（可以用八进制数代替）：

取值	八进制数	含义
S_IRWXU	00700	可读可写可执行
S_IRUSR	00400	文件所有者可读
S_IWUSR	00200	文件所有者可写
S_IXUSR	00100	文件所有者可执行
S_IRWXG	00070	文件所有者组内可读可写可执行
S_IRGRP	00040	文件所有者组内可读
S_IWGRP	00020	文件所有者组内可写
S_IXGRP	00010	文件所有者组内可执行
S_IRWXO	00007	其他组用户可读可写可执行
S_IROTH	00004	其他组用户可读
S_IWOTH	00002	其他组用户可写
S_IXOTH	00001	其他组用户可执行

文件IO和标准IO权限对比

标准IO	文件IO	权限含义
r	O_RDONLY	只读方式打开，文件不存在则报错
r+	O_RDWR	读写方式打开文件，文件不存在则报错
w	O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC，0644	只读方式打开，文件不存在则创建，存在则清空
w+	O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644	读读方式打开，文件不存在则创建，存在则清空
a	O_WEONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644	只写方式打开，文件不存在则创建，存在则追加
a+	O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND, 0644	读写方式打开，文件不存在则创建，存在则追加

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    
    int fd;
    //  使用open函数打开一个文件
    fd = open("file.txt",O_RDONLY | O_CREAT,0664);
    printf("fd = %d",fd);
    return 0;
}

输出结果，会创建一个新文件file.txt

fd = 3

函数调用出错后输出错误信息

通过全局变量errno
    #include <errno.h>
    errno是一个全局变量，当函数调用失败后，可以通过errno获取错误码
通过一个函数perror
    #include <stdio.h>
    功能：输出函数调用失败后的错误信息
    参数：
    	s : 打印错误信息的提示消息
    返回值：无

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
 
    int fd;
    //  使用open函数打开一个文件
    fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    printf("error = %d\n", errno);
    perror("fail to open"); // 使用perror打印错误信息
    return 0;
}
 

输出结果

error = 2	// 文件不存在的错误码
fail to open: No such file or directory // 文件不存在，直接打印出出错信息

2.3.3 close函数

关闭一个文件

#include <unistd.h>
int close(int fd)
功能：关闭一个文件描述符
参数：
    fd：指定文件的文件描述符，即open函数的返回值
返回值：
    成功：0
    失败：1

#include <stdio.h>
#include <sys/fcntl.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd;
    fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1)
    {
        perror("fail to open");
        return -1;
    }
    else
    {
        printf("fd = %d\n", fd);
        // 当不对文件操作的时候，就会关闭文件描述符
        // 使用close函数关闭文件描述符
        // 一旦文件描述符关闭，就不能通过原有的文件描述符对文件进行操作
        close(fd);
    }
 
    return 0;
}

输出结果

fd = 3

注意：

1. 程序运行的时候，最多创建1024个文件描述符，值范围是 0 -1023

2. 文件描述符从小到大依次递增

3. 如果中途有文件描述符被关闭，则会再创建；新建的文件描述符会使用前面空缺的文件描述符，前面不空缺，则依次递增

   如已有文件描述符 1 2 3 4 5 7 
       这是 4 被关闭，只剩下 1 2 3 5 7，新创建两个文件描述符，第一个就是 4，第二个为 8;  

2.3.4 write 函数

把执行数目的数据写入文件

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能:向文件写入数据
参数:
	fd:指定的文件描述符
	buf:要写入的数据
	count:要写入的数据的长度
返回值:
	成功:实际写入的字节数
	失败:-1

向终端写入内容

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 向终端写入数据,对1这个文件描述符进行操作，标准输出
    if(write(1,"hello world!",12) == -1){
        perror("fail to write");
        return -1;
    }
    return 0;
}

输出结果

hello world!

向文件写入内容

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 向文件写数据
    int fd;
    // 以只写的方式打开文件，文件不存在则创建，文件存在则清空
    fd = open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1)
    {
        perror("fail to open");
        return -1;
    }
 
    if (write(fd, "hello world!\n", 12) == -1)
    {
        perror("fail to write");
        return -1;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

输出结果，创建了文件file.txt

file.txt

hello world!

2.3.5 read函数

把指定数目的数据读取到内存

把指定数目的数据读到内存
#include <unistd, h>
ssize_t read(int fd, void *addr, size_t count);
参数:
	fd:攻件描述符
	addr:内存首地址
	count;读取的字节个数
返回值:
	成功：返回实际读取到的字节个数
	失败：返回-1，可以利用 perror获取原因
     注意：如果读取到末尾，返回0

从终端读取数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 从终端读取数据,使用文件描述符0
    char str[32] = "";
    if (read(0, str, 6) == -1) // 此处定义了保存多少个字节
        // 此处定义的数据大于输入数据，则输出数据位原数据 + 一个换行符
    {
        perror("fail to read");
        return -1;
    }
    printf("str = [%s]\n",str);
    return 0;
}

输出结果

hello world
str = [hello ] //保存了6个字符

从文件读取数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
#define N 64
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 从文件读取数据
    int fd;
    if ((fd = open("text.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0664)) == -1)
    {
        perror("fail to read");
 
        return -1;
    }
    // 读取文件内容
    char buf[N] = "";
    if ((read(fd, buf, 32)) == -1)
    {
        perror("fail to read");
        return -1;
    }
    printf("buf = [%s]", buf);
    close(fd);
 
    return 0;
}

输出结果

buf = [HELLO WORLD]

2.3.6 remove

删除文件

#include<stdio.h>
int remove(const char *pathname)
    参数: 文件的路名+文件名pathname :
返回值:
	成功返回 0。
	失败返回-1，可以利用 perror 去查看原因

#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 使用remove函数删除文件
    if (remove("./file.txt") == -1)
    {
        perror("fail to remove");
        return -1;
    }
    printf("delete done\n");
    return 0;
}

输出结果

delete done

2.4系统调用与库函数对比

库函数有两类函数组成：

1. 不需要调用系统调用
2. 需要调用系统调用

2.4.1 不需要调用系统调用

不需要切换到内核空间即可完成函数的全部功能，并将结果反馈给应用程序，如strcpy，bzero等字符串操作函数

2.4.2 需要调用系统调用

需要切换到内核空间，这类函数通过封装系统调用去实现相应功能，如printf、fread等

2.4.3 库函数与系统调用的关系

并不是所有的系统调用都被封装成了库函数，系统的很多功能需要通过系统调用才能控制

系统调用需要时间，程序中频繁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，又要切换到用户态，这种环境的切换很消耗时间。

库函数的优势：设置不同类型的缓冲区，减少直接调用IO系统的次数，节省时间。大多数库函数的本质也是系统调用，只不过库函数有缓冲区，能够节省时间。