揭秘：“系统调用”的隐藏真相！
2022-12-10 01:09:36
系统调用与普通函数：权限、执行方式和功能的对比
在计算机系统中，系统调用和普通函数扮演着截然不同的角色，让我们深入探究它们的差异，了解其在操作系统中的关键作用。
系统调用：操作系统提供的特权接口
系统调用是操作系统提供的接口，允许应用程序访问底层系统资源和服务。当程序需要执行需要特权权限的操作（例如文件系统访问、网络通信或内存分配）时，就会触发系统调用。
- 权限： 系统调用在内核态下执行，具有最高权限，能够访问所有系统资源。
- 执行方式： 系统调用通过专门的指令（如 x86 架构中的 int 80h）触发，由操作系统内核处理。
- 功能： 系统调用提供对操作系统资源的直接访问，包括文件系统管理、内存管理、进程管理和设备控制。
普通函数：应用程序中的用户态代码
普通函数是应用程序内部的代码块，在用户态下执行，由应用程序本身处理。它们通常用于执行特定任务，例如数学运算、字符串操作或数据结构管理。
- 权限： 普通函数在用户态下执行，权限有限，只能访问受限的系统资源。
- 执行方式： 普通函数通过程序内部的代码调用直接执行，无需特殊的指令。
- 功能： 普通函数执行应用程序特定的任务，通常不涉及操作系统资源的访问。
关键区别：权限、执行方式和功能
系统调用和普通函数之间的主要区别在于：
- 权限： 系统调用具有内核态权限，而普通函数具有用户态权限。
- 执行方式： 系统调用通过特殊指令触发，而普通函数直接调用。
- 功能： 系统调用提供对操作系统资源的访问，而普通函数执行应用程序特定的任务。
内核态和用户态：CPU 的两种运行模式
为了确保操作系统稳定性和安全，CPU 采用两种运行模式：内核态和用户态。
内核态：
- 具有最高权限，可以访问所有内存地址和硬件资源。
- 操作系统通常在内核态下运行，具有对系统资源的完全控制。
用户态：
- 权限受限，只能访问受限的内存地址和硬件资源。
- 应用程序在用户态下运行，其权限受到限制，以防止对系统造成损害。
中断：CPU 状态切换的机制
操作系统使用中断机制让 CPU 在内核态和用户态之间切换。中断是由硬件或软件触发的事件，它会暂时中断当前指令的执行，转而执行中断处理程序。中断处理程序通常会将 CPU 状态切换到内核态，处理中断请求，然后恢复到之前的状态。
中断类型：
- 内中断： 由 CPU 内部产生的中断，例如除零错误或内存访问越界。
- 外中断： 由外部设备产生的中断，例如键盘输入或鼠标点击。
- 软中断： 由软件产生的中断，例如系统调用。
- 硬中断： 由硬件产生的中断，例如外中断。
库函数与系统调用：相似性和差异
库函数是预先编译好的代码，可以被应用程序直接调用。系统调用是操作系统提供的接口，需要通过特殊的指令来触发。
库函数：
- 在用户态下调用，权限有限。
- 无需特殊指令触发。
- 执行应用程序特定的任务，通常不涉及操作系统资源的访问。
系统调用：
- 在内核态下调用，权限较高。
- 需要特殊指令触发。
- 提供对操作系统资源的访问，例如文件系统操作、内存管理和进程管理。
结论：系统调用和普通函数的相互作用
系统调用和普通函数在计算机系统中协同工作，共同执行各种任务。系统调用提供对低级系统资源的访问，而普通函数处理应用程序特定的功能。通过理解它们之间的差异，我们可以更深入地了解操作系统如何管理资源并为应用程序提供一个稳定的执行环境。
常见问题解答
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系统调用是否总是比普通函数执行得更慢？
不一定，虽然系统调用需要在内核态下执行，但这并不总是意味着它比普通函数执行得更慢。在某些情况下，系统调用可以优化以实现高性能。
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所有操作系统都提供相同的系统调用吗？
不同操作系统提供不同集合的系统调用，以满足其特定需求和架构。然而，许多常见的系统调用在不同的操作系统中是通用的。
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库函数和系统调用之间的主要区别是什么？
库函数在用户态下调用，权限受限，而系统调用在内核态下调用，权限较高，提供对操作系统资源的访问。
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中断在计算机系统中扮演什么角色？
中断允许 CPU 在内核态和用户态之间切换，从而使操作系统能够响应事件并控制系统资源。
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为什么应用程序不能在内核态下运行？
将应用程序限制在用户态可以提高系统稳定性，防止应用程序对系统造成损害或干扰其他应用程序的执行。
