系统编程是什么

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部分摘自《Linux System Programming 》作者: Robert Love

刘建文略译（http://blog.csdn.net/keminlau）

KEY:系统论 系统编程

System Programming

过去的Unix编程是没有系统不系统之分的。

即便是开发 X Window也是在系统级（system-level）编程，看到系统的全部API。现代的操作系统编程有所谓[系统级编程]，使用与[应用编程]不同的API（System programming API） 。

从编程的形式和耗费心力上。系统编程与应用编程没有本质差别，这也意味着一个经验丰富的应用程序猿转向系统编程难度不大。

系统编程与应用编程的不同在于：

• 第一，系统编程更接近硬件。系统程序猿必须熟悉硬件环境和操作系统环境；相对的，应用程序猿很多其它是熟悉应用的环境；
• 第二，系统编程使用的函数库和库函数调用方法与应用编程有一些不同。比方，在调用系统调用（syscall）时使用所谓的陷入方式，也就是软中断方式。

近年来，随计算应用深化，应用编程有远离系统编程的趋向。

只是，这并不能说或者预言系统编程的末日的到来。由于，有人用Javascript或C#写应用就要有人写它的解释器和执行时。

此外，操作系统代码仅仅能使用系统级编程。

本书的一些核心问题：

• 系统级接口（system-level interface）究竟是什么？又怎样编写Linux的系统级应用？
• 内核和C库详细提供了什么给我们？
• 怎样编写优质代码？Linux又有什么已知的陷阱（tricks ）？
• Linux的系统调用是怎样实现的？
• What neat system calls are provided in Linux compared to other Unix variants?

  How does it all work? Those questions are at the center of this book.

Linux系统编程须要熟悉三大块内容：系统调用、C库和C编译器。

System Calls

[系统调用]就是用户空间与内核之间的函数接口，目的是为了给用户空间的程序请求内核服务和资源。与其他非常多操作系统相比。Linux实现的系统调用少非常多。比方，Linux为I386体系实现了300个左右的系统调用。而 Microsoft Windows据说实现数以千计的系统调用。

Linux内核的不同平台实如今系统调用上存在差异，只是90%的系统调用是同样的。

Invoking system calls

出于安全性等因素，应用代码是不可以直接调用系统调用的。必须使用特殊的[陷入]（trap）机制。一种“知会”内核进行工作的函数调用形式（KEMIN：证明两“系统”的耦合度较弱，比直接调用方式要弱。以系统论的角度考究syscall也非常有意思）。陷入机制的详细实现也是因不同的体系而有所不同的。

比方I386体系，应用代码通过触发软中断指令（int 0x80）来调用syscall。那0x80是什么呢？软件中断向量号吗？回答否。

应用代码必须通过处理器的寄存器向告诉内核向量号和调用參数。比方。假设应用代码调用open()，它得置eax值5，然后把參数放在另外的五个寄存器：ebx, ecx, edx, esi, 和edi（所以系统调用至多使用五个參数），这些寄存器保存实用户空间的地址，也就是參数数据所在。

作为一位系统程序猿，你一般不需干涉系统调用的过程，由于调用过程由体系定义。而且由C库和C编译器自己主动处理。

The C Library

C库是全部UINX应用的核心。由于不管你使用什么语言，你的代码终于还是调用C库。其他高级语言的库都是基于C库构建的，或者说是这些库是对C库的包装。

如今的Linux，使用的C库是GNU libc。行话glibc。

glibc不不过个程序语言库，比方C标准库。它还是一个系统库，并且是一个现代操作系统库，函数涵盖了对系统调用的包装、线程支持、网络支持等。

The C Compiler

Linux的C编译器是gcc，过去gcc代表GNU C Compiler，是cc的在GNU项目的实现；如今gcc代表GNU Compiler Collection，只是gcc 仍然是C编译器的入口。

Unix系统（包含Linux）使用的编译器与系统编程是高度相关的。由于编译器负责实现了C标准和系统ABI。

APIs and ABIs

无人不希望自己写的程序具有非常好的移植性（portability）。能够执行在不同软件平台（如操作系统或应用框架）、硬件平台（如处理器体系及载板），甚至跨平台的开发版本号执行。

有多种因素影响着程序的可移植性。其中就有两组不同的[系统接口]影响程序的可移植性：第一组是应用编程接口（API），还有一组是应用二进制接口（ABI）。

APIs

API是两支软件在源码级的接口。通过这个标准的接口（一般以函数形式实现），客户代码（一般称高级别的软件代码）能够调用服务代码（低级别的软件代码）。API本身是抽象的，它仅定义了一个接口，不涉入应用程序怎样实现的细节。

系统论里的接口范畴

 

接口或者port是两子系统边界[信息交换]的规格或约定方式，用通俗的理解就是。信息是什么样的。接口是信息的格式。

应用编程接口。就是软件系统不同组成部分衔接的约定。

因为近年来软件的规模日益庞大，经常会须要把复杂的系统划分成小的组成部分，编程接口的设计十分重要。

程序设计的实践中，编程接口的设计首先要使系统的职责得到合理划分。良好的接口设计能够减少系统各部分的相互依赖。提高组成单元的内聚性，减少组成单元间的耦合程度，从而提高系统的维护性和扩展性。

 

因为API是抽象的，必须清晰差别接口定义与接口的实现。比方[C标准库]是API，uclibc是一个实现；POSIX 是API，glibc是一个实现。

那么API一般涵盖什么样的函数呢？ 这是一个非常有意思的问题。比方C标准库是一种语言库，它必须非常通用。所以接口函数不能依赖软件或硬件特性；相反POSIX 是操作系统标准，它相对没那么的通用。

ABIs

API是源码级别接口，是逻辑约定；而ABI是二进制级别接口，定义的在特定的架构上两个软件模块之间的接口的物理实现方式。这样的[物理实现约定]保证二进制代码兼容，也就是保证一段目标代码可以在不论什么具有相同ABI的系统上都正常运作，不须要又一次编译源码。

ABI（[物理实现约定]） 的内容包含调用约定（calling conventions）、字节序（byte ordering）、寄存器使用（register use）、系统调用实现方式、对象链接、库行为和二进制格式。以调用规则为例，它规定了函数怎样被调用。參数怎样传递，哪些寄存器被保留和哪些会被破坏，以及调用者怎样提取返回的结果。

虽然以前尝试着为特定架构下不同的操作系统(特别是i386上的Unix操作系统)定义唯一的ABI，然而到眼下为止还没有取得成效。相反，包含Linux在内的操作系统都尝试定义各自独立的ABI，这些ABI和架构紧密相连。

大部分的ABI涉及了机器级别的概念，如特定的寄存器或者汇编指令。

因此。在Linux系统中。每个机器架构都有自己的ABI集合，其实，我们以机器架构的名称来称呼这些ABI，比如alpha x86-64等。

1.4 Linux编程概念、POSIX和系统库

全部的Unix系统，包含Linux系统。都提供了一个共同的抽象和接口集合，这个共同点定义了Unix。

如对文件和进程的抽象、管道和套接字管理的接口等等，都是Unix的核心内容。

综上，个人理解，系统编程与应用编程的不同在于：调用的接口不同。