内核编程三：Library and system call APIs

在Linux内核开发中，**库（Library）和系统调用API（System Call API）**是两个重要的概念，它们共同构成了用户空间和内核空间之间的交互机制。

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1. Library（库）

库是**用户空间（user space）**提供的一组函数封装，通常由标准C库（glibc）或其他库（如musl、uClibc）提供，主要用于简化系统调用的使用。例如：

• printf → 最终调用 write 系统调用
• malloc → 依赖 brk 或 mmap 系统调用
• fopen → 封装 open 系统调用

特点

• 封装复杂性：库函数一般会对系统调用进行封装，使其更易于使用。
• 性能优化：一些库函数会进行缓存、批量操作等优化，减少系统调用的开销。
• 可移植性：库函数可以在不同操作系统上提供相同接口，而底层的系统调用可能不同。

示例

1. printf 调用的过程

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

调用链

1. printf("Hello, world!\n")
2. fprintf(stdout, "Hello, world!\n")
3. write(1, "Hello, world!\n", 14) ⬅ 实际调用 write 系统调用

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2. System Call API（系统调用）

系统调用是用户态进程和内核通信的唯一合法方式，它提供了访问硬件和内核资源的接口。系统调用是通过 int 0x80（x86 32位）、syscall 指令（x86_64）、svc（ARM）等方式切换到内核态。

常见系统调用

类别	示例系统调用
进程管理	fork、execve、exit
文件系统	open、read、write、close
内存管理	mmap、brk
设备管理	ioctl、read、write
进程通信	pipe、shmget、mmap
网络通信	socket、bind、listen、accept

示例

1. 使用 write 系统调用

#include <unistd.h>

int main() {
    write(1, "Hello, world!\n", 14);
    return 0;
}

• write(int fd, const void *buf, size_t count) 是一个系统调用，fd=1 代表 stdout。

用户态 -> 内核态 调用路径

1. write 用户态封装（glibc）
2. syscall(SYS_write, 1, "Hello, world!\n", 14);
3. 内核中的 sys_write() 处理
4. 调用 vfs_write()
5. 调用 file->f_op->write()（具体的文件系统实现）
6. 数据最终写入设备（比如标准输出）

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3. Library vs System Call API 的关系

对比点	Library（库）	System Call API（系统调用）
作用	提供封装、优化	提供用户态访问内核资源的接口
执行位置	用户态	内核态
性能	可能包含缓存优化	直接进入内核，开销较高
可移植性	跨平台封装	依赖内核实现

示例：malloc vs brk

• malloc() 是 glibc 提供的库函数，它内部可能使用：
  • brk()（调整堆内存）
  • mmap()（大块内存分配）
• brk() 和 mmap() 是真正的系统调用，它们直接操作内存分配

#include <stdlib.h>

int main() {
    void *ptr = malloc(1024);  // 实际上可能调用 brk() 或 mmap()
    free(ptr);
    return 0;
}

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4. 内核开发中的系统调用

在内核开发中，我们可以扩展系统调用，比如添加一个新的 sys_hello 系统调用。

示例：添加 sys_hello 系统调用

1. 修改内核源码（sys_hello.c）

   1. #include <linux/kernel.h>
      #include <linux/syscalls.h>
      
      SYSCALL_DEFINE0(hello) {
          printk(KERN_INFO "Hello from kernel!\n");
          return 0;
      }
      

2. 注册系统调用
   1. 在 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 添加：

      1. 548     common   sys_hello
         

   2. 在 include/linux/syscalls.h 声明：

      1. asmlinkage long sys_hello(void);
         

3. 用户态调用

   1. #include <unistd.h>
      #include <sys/syscall.h>
      
      #define SYS_hello 548
      
      int main() {
          syscall(SYS_hello);
          return 0;
      }
      

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5. 结论

• 库函数（Library） 是用户空间的封装，简化系统调用的使用。
• 系统调用（System Call API） 是内核提供的接口，是用户态访问硬件的唯一方式。
• 库函数和系统调用的关系：库函数可以调用多个系统调用，提高性能和可用性，但最终还是依赖内核的系统调用。