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[English version](/posts/c教程/en-US/07-Working Close to the System/061-System Calls and the Standard Library)

当您编写涉及文件、进程或设备的 C 程序时，您是在与操作系统对话，而不是直接与硬件对话。这种通信是通过系统调用进行的。

系统调用是用户空间程序和操作系统内核之间的最低级接口。 C 的标准库 (libc) 是构建在这些调用之上的一层薄薄的包装器，使它们更易于使用且更可移植。

让我们探讨一下它是如何工作的，以及如何直接从 C 代码使用系统调用。

步骤 1. 什么是系统调用？ ​

系统调用 (syscall) 允许程序向操作系统内核请求服务，例如读取文件、创建进程或分配内存。

示例：

-read(),write()– 访问文件和设备 -fork(),exec()– 创建和管理流程 -open(),close()– 处理文件描述符 -mmap()– 将文件映射到内存中 -socket()– 网络通讯

当您调用系统函数时，控制权从用户空间传递到内核空间，然后再返回。

步骤 2.libc 的作用 ​

C 标准库（glibc、musl 等）提供了这些系统调用的包装器。

例子：

#include <stdio.h>
int main(void) {
    FILE *f = fopen("test.txt", "r");
    if (!f) {
        perror("fopen failed");
        return 1;
    }
    fclose(f);
}

在引擎盖下，fopen()最终打电话open()，定义在的系统调用<fcntl.h>。也可以直接调用。

步骤3.直接调用系统调用 ​

这是没有 stdio 助手的相同操作：

#include <fcntl.h>     // open
#include <unistd.h>    // read, write, close
#include <stdio.h>     // perror
int main(void) {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }
    char buf[128];
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (n >= 0) {
        buf[n] = '\0';
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
    close(fd);
}

编译并运行：

gcc sysread.c -o sysread
./sysread

这将打印前 128 个字节test.txt直接使用系统调用，没有fopen()或者printf()涉及。

小代码：最小系统调用示例 ​

让我们甚至放弃 C 库并使用原始系统调用接口。

#include <unistd.h>
int main(void) {
    const char msg[] = "Hello via system call\n";
    write(1, msg, sizeof(msg) - 1);  // 1 = STDOUT
    _exit(0);
}

编译：

gcc -nostdlib -static syshello.c -o syshello

跑步：

Hello via system call

您只是直接执行系统调用，完全绕过标准库。

步骤 4. 文件描述符 ​

系统调用如read()和write()使用文件描述符，由操作系统管理的小整数句柄。

描述符意义
0标准输入（stdin)
1标准输出（stdout)
2标准误（stderr)

每个打开的文件、套接字或管道都有一个唯一的描述符。

例子：

write(1, "Output to stdout\n", 17);
write(2, "Output to stderr\n", 17);

步骤 5. 检查系统调用 ​

您可以使用以下方式观看程序的系统调用strace:

strace ./sysread

输出示例：

open("test.txt", O_RDONLY) = 3
read(3, "Hello World\n", 12) = 12
write(1, "Hello World\n", 12) = 12
close(3) = 0

这展示了真正的内核级操作，是一个很棒的调试和学习工具。

步骤 6. 返回值和错误 ​

系统调用通常返回：

  • ≥ 0 → 成功（读取的字节数、进程 ID 等）
  • -1 → 错误（与errno设置为错误代码）

例子：

#include <errno.h>
#include <string.h>
int fd = open("missing.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1)
    fprintf(stderr, "Error: %s\n", strerror(errno));

常见错误代码：

代码意义
ENOENT找不到文件
EACCES权限被拒绝
EBADF无效描述符
EINTR系统调用中断

步骤 7. 混合系统调用和 stdio ​

您可以安全地组合两个层，只是不要将它们混合在同一个文件描述符上。

示例（安全）：

FILE *f = fopen("log.txt", "w");
write(STDOUT_FILENO, "Console log\n", 12);
fprintf(f, "File log\n");
fclose(f);

示例（不安全）：

FILE *f = fopen("data.txt", "w");
write(fileno(f), "mixed output\n", 13);  // may confuse buffering

步骤 8. 系统调用包装器 ​

Linux 内核提供了数百个系统调用。您可以通过以下方式拨打大部分电话：<unistd.h>，但对于罕见的，你可以使用syscall():

#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
int main(void) {
    syscall(SYS_write, 1, "Hello syscall\n", 14);
    return 0;
}

步骤 9. 查看可用的系统调用 ​

检查您的平台的所有可用系统调用：

man 2 intro

或者

ausyscall --dump | head

您会看到如下列表：

read, write, open, close, stat, fork, execve, mmap, ...

第 10 步：为什么它很重要 ​

系统调用是 C 和类 Unix 系统中一切的基础。

它们使您的程序可以直接访问：

  • 文件和设备
  • 进程和信号
  • 内存和网络
  • 时间和环境

学习直接使用它们对于理解更高级别的抽象（例如stdio,pthreads，或套接字）已构建。

自己尝试一下 ​

  1. 使用strace在ls或者cat看看系统调用如何驱动它们。
  2. 更换一个fopen()/fread()与直接配对open()和read()来电。
  3. 编写一个小型文件复制器，仅使用open,read,write， 和close.
  4. 尝试无效的文件描述符并打印出来errno.
  5. 构建一个版本echo仅使用原始系统调用。

接下来，您将更进一步：学习如何创建和管理流程fork()和exec()，Unix 多任务处理的核心。

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