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系統調用:計算機中的“服務員”

來源: 責編: 時間:2023-12-01 17:12:34 224觀看
導讀一、什么是系統調用想象一下,你在一家餐廳就餐,你需要通過服務員來點菜、支付等。系統調用就像是這個服務員,它在軟件和操作系統之間起到了橋梁的作用。當軟件需要操作系統提供的某項服務時,它就像顧客一樣,通過點菜(調用AP

一、什么是系統調用

想象一下,你在一家餐廳就餐,你需要通過服務員來點菜、支付等。系統調用就像是這個服務員,它在軟件和操作系統之間起到了橋梁的作用。當軟件需要操作系統提供的某項服務時,它就像顧客一樣,通過點菜(調用API)來告訴服務員(系統調用)它的需求。本質上,系統調用就是用戶程序與操作系統之間的接口程序。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

二、為什么需要系統調用

保護資源

就像在餐廳里,你不能直接進廚房做飯,而需要通過服務員來點菜。同樣,操作系統會將可能產生多個程序訪問沖突的資源保護起來,提供API,軟件只能通過系統調用這些API來操作對應的資源。比如應用程序要訪問網絡、讀寫文件等都需要通過系統調用來完成。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

簡化軟件開發

就像你只需要告訴服務員你想吃什么,而不需要自己去廚房做飯。操作系統為簡化上層軟件開發,對某些資源和基礎能力進行封裝,提供API,軟件通過系統調用這些API可以輕松集成能力。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

操作系統是基礎軟件

操作系統是基礎軟件,與其它軟件是不同的進程。其它軟件使用操作系統提供的能力,可以用進程間通信,但是各種進程間通信機制也是基于系統調用,所以直接使用系統調用更為便捷。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

三、系統調用過程

系統調用和普通庫函數調用非常相似,只是系統調用由操作系統內核提供,運行于內核態,而普通的庫函數調用由函數庫或用戶自己提供,運行于用戶態。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

圖片圖片wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

軟中斷模式

在軟中斷模式下,用戶程序會調用標準庫,這就像顧客看菜單點菜。然后,標準庫執行軟中斷指令,CPU切換上下文,由用戶態進入內核態,這就像服務員把菜單帶到廚房。內核通過中斷向量表查找到中斷處理程序,并執行它,這就像廚師根據菜單開始做菜。系統調用執行完畢,從中斷處理程序返回,這就像服務員把做好的菜端給顧客。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

在軟中斷模式中,CPU只需要執行一個INT指令就可以了,比較簡單。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

快速調用

快速調用是為了避免上下文切換的開銷。這就像顧客直接告訴廚師他們想吃什么,而不需要通過服務員,使得通信的速度更快,更有效率。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

快速調用需要CPU的支持,以x86 CPU為例,快速調用的實現主要使用了兩個指令:sysenter和sysexit。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

sysenter指令wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

sysenter指令是一個特殊的CPU指令,它用于從用戶態切換到內核態。當一個程序需要進行系統調用時,它會執行sysenter指令。這個指令會使CPU切換到內核態,并跳轉到操作系統內核中預設的系統調用入口點。這個過程中,CPU不需要執行中斷,也不需要切換上下文,因此,執行sysenter指令的開銷比執行軟中斷的開銷要小。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

sysexit指令wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

與sysenter指令相對應,sysexit指令用于從內核態切換回用戶態。當系統調用完成后,操作系統內核會執行sysexit指令。這個指令會使CPU切換回用戶態,并跳轉回到執行sysenter指令之后的下一條指令。這個過程同樣不需要執行中斷和切換堆棧,因此,執行sysexit指令的開銷也比執行軟中斷的開銷要小。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

不同的CPU可能會有不同的快速調用方式,不過應用程序不需要關心CPU具體是怎么做的,操作系統會做好封裝,標準庫會提供操作的API。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

四、代碼示例

在Go語言中,我們可以使用syscall包來進行系統調用。下面是一個使用syscall包進行系統調用的示例,該示例使用系統調用獲取系統時間:wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

package mainimport (    "fmt"    "syscall"    "time")func main() {    // 創建一個syscall.Timeval結構體用于存儲時間    var tv syscall.Timeval    // 使用syscall.Gettimeofday函數獲取當前時間    err := syscall.Gettimeofday(&tv)    if err != nil {        fmt.Println("Error:", err)        return    }    // 將秒和微秒轉換為time.Time類型    t := time.Unix(tv.Sec, tv.Usec*1000)    // 打印時間    fmt.Println("Current time:", t)}

在這個示例中,我們首先創建了一個syscall.Timeval結構體用于存儲時間。然后,我們使用syscall.Gettimeofday函數來獲取當前時間,并將其存儲在我們之前創建的syscall.Timeval結構體中。最后,我們將syscall.Timeval中的秒和微秒轉換為time.Time類型,并打印出來。wGT28資訊網——每日最新資訊28at.com

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