系统调用
复习
- 引导程序与内核加载：引导程序把内核装入内存，内核初始化后接手管理
- 操作系统是什么：操作系统是资源的管理者和抽象提供者
- 内核态与用户态：为什么普通程序不能随意执行危险操作
TL;DR
- 系统调用是用户程序请求内核服务的正式接口
- 它触发一次从用户态到内核态的切换，由内核代为完成
- 内核按“编号”分发，做完再把结果返回用户程序
- 它看起来像函数调用，但开销要大得多
正文
程序想读一个文件、申请一块内存、往网络发一个包，这些事它自己都做不了——权限不够。它只能求内核帮忙。这个“求”的正式方式，就是系统调用（system call）。
一次系统调用长什么样
用户程序想请内核办事，大致按这个流程：
- 把“要办哪件事”的编号，和需要的参数，放到约定的位置（通常是几个寄存器）
- 执行一条特殊的“陷入”指令，主动从用户态进入内核态
- 内核根据编号，在表里查到对应的处理程序
- 内核完成工作，把结果放回约定位置，返回用户态
这很像去银行办事：先填一张单子（参数），取一个号（编号），柜员按号办理，办完把回执给你。你进不了金库，但通过柜台，事情照样办成了。
用户程序：放编号和参数 → 陷入 →（内核态）内核处理 → 返回
它像函数调用，但不一样
从写法上看，系统调用和普通函数调用差不多：都是“把参数传进去，拿个结果回来”。可两者有本质区别：
- 普通函数调用，仍在用户态内执行，跳进跳出的只是代码
- 系统调用会切换特权级，进入内核态再回来
特权级切换不便宜：要保存现场、切换栈、做权限检查。所以能少调就少调——这也是为什么读文件常常一次读一大块，而不是一个字节一个字节地调。
常见的系统调用
系统调用名目很多，但常用的也就那几类：
- 文件：打开、读、写、关闭
- 进程：创建、结束、等待
- 内存：申请、释放
- 通信：网络收发、管道读写
它们可以说是“操作系统功能的正式出口”。程序想用操作系统的任何能力，基本都要经过它们。
库函数与系统调用
你可能会有个疑问：平时写代码，好像从没“手动陷入内核”过，只是调了个函数就完事了。
这是因为库函数替你包了一层。比如打印用的 printf，它自己并不直接操作硬件；它把内容整理好，最终去调用内核的“写”系统调用，由内核把数据送到屏幕或文件。类似地，很多库函数只是“包装”，真正陷入内核的是它内部那一次系统调用。
一层套一层，人写起来简单，底层却老老实实地走了正规流程——这正是我们一路见到的加层思路。
到这里，“程序如何请求内核”就清楚了。可内核要管理的是一个又一个正在运行的程序。它怎样把一个静静躺在磁盘上的程序，变成一个正在占用 CPU 的“活物”？下一章，我们认识一个关键概念：进程。
思考题
既然系统调用和普通函数调用长得差不多，为什么不让用户程序直接执行内核代码，省掉切换？这样会带来什么问题？
小结
知识点
- 系统调用是用户程序请求内核服务的接口
- 一次系统调用：放编号与参数、陷入内核、内核处理、返回
- 系统调用会切换特权级，开销比普通函数大
- 库函数常常封装了系统调用
参考资料
- Wikipedia(zh)：系统调用：系统调用的机制
- Wikipedia(zh)：POSIX：常见的系统调用接口标准
- Wikipedia(zh)：C 标准库：库函数与系统调用的关系
思考题答案（仅供参考）
如果让用户程序直接执行内核代码，就等于取消了那两种模式：任何程序都能以最高权限为所欲为，改内存、动设备、绕过保护，系统立刻失去安全和稳定。系统调用虽然多了一次切换的开销，却换来两道保险：入口是固定的、可控的，内核可以在“放行”之前检查参数是否合法。用一点性能换取安全与秩序，非常划算。
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设计师 | 南国微雪