Linux系统调用实验报告：理论与实践并重 (linux系统调用实验报告)
一、引言
随着计算机技术的不断发展和应用范围的不断拓展，操作系统成为保证计算机系统正常运行的重要组成部分，而系统调用则是操作系统运作的基石。理论学习和实践操作都是掌握操作系统及其系统调用的关键。本文将结合自己的实践经验，详细介绍Linux系统调用的实践操作，并探讨其相关理论知识。
二、Linux系统调用理论
Linux系统调用是指应用程序通过调用内核提供的接口使用操作系统内核功能。系统调用向用户提供了访问底层硬件资源的机制，是用户态程序与内核态程序之间的接口。Linux系统提供了约200多个系统调用，包括文件操作、内存管理、进程管理、网络编程等常用功能。
系统调用的调用方式通常有两种：软中断和系统调用指令。软中断方式是通过调用中断向量表中对应的软中断处理程序实现。系统调用指令方式是通过特殊的指令触发系统调用。本文将重点介绍系统调用指令方式。
Linux系统调用的基本流程如下：
1.应用程序调用系统调用指令；
2.系统调用指令触发软中断，进入内核态；
3.内核根据系统调用号执行相应的操作；
4.内核将执行结果返回给应用程序，并将系统调用返回值存入寄存器ax中；
5.应用程序继续执行。
系统调用的参数传递方式通常有三种：寄存器传参、栈传参和内存传参。Linux系统采用寄存器传参和栈传参两种方式，其中寄存器传参方式主要用来传递少量参数，栈传参方式主要用来传递大量参数。
三、Linux系统调用实践
在Linux系统中，应用程序通过调用系统调用库使用系统调用。系统调用库提供了一些封装函数，隐藏了系统调用的底层实现细节，使得应用程序更容易调用系统调用。本文将以Linux系统下的C语言为例，介绍如何使用系统调用库。
1.打开文件
打开文件是一个常见的系统调用操作，通常使用open()函数实现。该函数的原型如下：
“`
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
“`
其中，pathname为需要打开的文件路径，flags为打开方式的标志位，mode为文件打开的权限设置。具体用法如下：
“`
#include
#include
#include
int mn()
{
int fd;
fd = open(“test.txt”, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if(fd == -1)
{
printf(“open file fled.\n”);
return -1;
}
printf(“open file success!\n”);
close(fd);
return 0;
}
“`
上述程序中，O_RDWR表示以可读可写方式打开文件，O_CREAT表示若文件不存在则创建，O_TRUNC表示清空文件内容。0644表示文件权限设置为八进制的644。
2.读写文件
读写文件也是常见的系统调用操作。通常使用read()函数和write()函数实现。read()函数从指定文件描述符中读取指定字节数的数据，write()函数将数据写入到指定文件描述符中。下面是一个简单的例子：
“`
#include
#include
#include
#include
#define BUFFER_SIZE 1024
int mn()
{
int fd;
char buffer[BUFFER_SIZE];
ssize_t ret;
fd = open(“test.txt”, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if(fd == -1)
{
printf(“open file fled.\n”);
return -1;
}
printf(“open file success!\n”);
memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
strcpy(buffer, “Hello, Linux!\n”);
ret = write(fd, buffer, strlen(buffer));
if(ret == -1)
{
printf(“write file fled.\n”);
close(fd);
return -1;
}
printf(“write file success!\n”);
memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
ret = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE);
if(ret == -1)
{
printf(“read file fled.\n”);
close(fd);
return -1;
}
printf(“read file success: %s”, buffer);
close(fd);
return 0;
}
“`
上述程序中，BUFFER_SIZE为缓冲区大小，ret为函数的返回值。
3.进程管理
进程管理也是Linux系统调用的重要应用，如创建进程、等待进程结束、获取进程信息等。这里简单介绍创建子进程的方法。使用fork()函数可以创建一个新的进程，其原型为：
“`
pid_t fork(void);
“`
返回值为0表示当前进程为子进程，返回值大于0表示当前进程为父进程，返回值为-1则表示创建进程失败。下面是一个简单的例子：
“`
#include
#include
#include
int mn()
{
pid_t pid;
pid = fork();
if (pid == -1)
{
printf(“child process create fled.\n”);
return -1;
}
else if(pid == 0)
{
printf(“child process.\n”);
}
else
{
printf(“parent process.\n”);
}
return 0;
}
“`
上述程序中，pid_t类型是进程ID类型，pid为变量名，表示当前进程的进程ID。
四、结论
通过以上的实践操作，我们深入理解Linux的系统调用机制。了解一些常见的操作系统调用，可以帮助我们更好地理解操作系统架构和原理，也有助于我们在实际编程中更好地利用系统调用调用接口，提高编程效率。
五、参考文献
1.林锐,孙健. Linux操作系统和底层应用[M]. 清华大学出版社, 2023.
相关问题拓展阅读：
实验五 Linux操作系统是如何工作的
操作系统工作的基础：
1、存储程序计算机
冯.诺伊曼首先提出了“存储程序”的概念，按照存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容，按地址顺序取出存放在内存储器中的指令（按地址顺序访问指令），然后分析指令，执行指令的功能，遇到转移指令时，则转移到转移地址，再按地址顺序访问指令（程序控制）。linux操作系统就是以存储程序计算机的工作原理为基础去管理整个计算机以及整个计算机的执行工作流程。
存储程序计算机以运算单元为中心， 采用存储程序原理，存储器是按地址访问、线性编址的空间，控制流由指令流产生， 指令由操作码和地址码组成，数据以二进制编码。（）
2、堆栈
堆栈（此处不同于数据结构的中堆栈）是内存中的一段存储区域。堆栈用到的寄存器主要有%esp和%ebp，c语言中堆栈机制主要用于函数调用中上一层函数相关寄存器（包括堆栈相关寄存器，eip寄存器等）的保存，以便从调用函数返回至上一层函数，堆栈还会保拿锋渣存调用函数的参数以及函数中创建的局部变量。
操作系统中的堆栈分为用户态堆栈和内核态堆栈，而程序的执行又是以进程为单位来执行的，操作系统使每个进程有各自独立的4G地址空间，0~3G为用户态，3G~4G为内核态，Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程内核堆栈。当我们进行系统调用或其他中断时内核栈会保存用户栈的寄存器信息以及返回地址等信息，当内核进行进程调度切换上下文时堆栈会保存前一个进程的上下文，再载入下一进程的上下文。
3、中断
中断机制最初是未解决计算机和外设的处理速度不匹配问题，为了提高cpu的工作效率，操作系统引入中断机制。
处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求，然后专门等待回应的办法，显然降低内核效率。中断可以让内核不用等待硬件响应，而消悄是去执行其他事务进基渗程，当硬件处理完毕，通过中断告知CPU硬件数据准备好，CPU再切换来处理此硬件事务。
不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个惟一的数字标识，即中断号。从而使得操作系统能够对中断进行区分，并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样，操作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。
中断使得进程能够并发的去执行，当然，并发并不是并行，而是中断允许CPU在多个进程之间切换，大大提高了CPU的利用率。中断是多进程能够正常执行以及进程间的切换的必不可少的要素。
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