系统调用

函数分类

• 库函数
  • 系统提供的，不能直接访问内核的 如fopen
• 系统调用
  • 系统提供的，可以直接访问内核 如 open
• 自定义函数
  • 自己编写的

注意

man命令：查看帮助手册

• 章节1 查命令 例： man 1 ls

• 章节2 系统调用 man 2 open

• 章节3 库函数 man 3 fopen

系统编程概述

操作系统的职责

   操作系统用来管理所有的资源，并将不同的设备和不同的程序关联起来。

什么是 Linux 系统编程

  在有操作系统的环境下编程，并使用操作系统提供的系统调用及各种库，对系统资源进行访问。
  学会了C 语言再知道一些使用系统调用的方法，就可以进行Linux 系统编程了，

简单说 就是使用软件操控系统硬件以及资源 比如 灯亮…

系统调用概述

系统调用是操作系统提供给用户程序的一组“特殊”函数接口。

类UNIX系统的软件层次

用户态和内核态

引入

>	CPU 指令是可以直接操作硬件的，要是因为指令操作的不规范，造成的错误是会影
响整个 计算机系统 的。好比你写 一个程序，但是因为你对 硬件操作 不熟悉，出现
问题，那么影响范围是多大？是整个计算机系统，操作系统内核、及其其他所有正在运
行的程序，都会因为你操作失误而受到不可挽回的错误，那么你只有重启整个计算机才
行
>	而对于 硬件的操作 是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须及其谨
慎的进行操作，这对于个人开发者来说是个艰巨的任务，同时个人开发者在这方面也是
不被信任的。所以 操作系统内核 直接屏蔽了个人开发者对于硬件操作的可能.
>   这方面 系统内核 对 硬件操作 进行了封装处理，对外提供标准函数库，操作更简
单、更安全。比如 我们要打开一个文件，C标准函数库中对应的是fopen()，其内部封
装的是内核中的系统函数open()
>	因为这个需求，硬件设备商直接提供了硬件级别的支持，做法就是对 CPU 指令设置了
权限，不同级别的权限可以使用的 CPU 指令是有限制的。以 Inter CPU 为例，
Inter 把 CPU 指令操作的权限划为4级：
		ring 0
		ring 1
		ring 2
		ring 3
>	其中 ring 0 权限最高，可以使用所有 CPU 指令，ring 3 权限最低，仅能使用
常规 CPU 指令，这个级别的权限不能使用访问硬件资源的指令，比如 IO 读写、网卡
访问、申请内存都不行，都没有权限	
>	Linux 系统内核采用了：ring 0 和 ring 3 这2个权限
>	ring 0:内核态,完全在 操作系统内核 中运行，由专门的 内核线程 在 CPU 中
执行其任务
>	ring 3:用户态,在 应用程序 中运行，由 用户线程 在 CPU 中执行其任务
>	Linux 系统中所有对硬件资源的操作都必须在 内核态 状态下执行，比如 IO 的
读写，网络的操作

区别：

>	1,用户态的代码必须由 用户线程 去执行、内核态的代码必须由 内核线程 去执行
>	2,用户态、内核态 或者说 用户线程、内核线程 可以使用的资源是不同的，尤体现在
内存资源上。Linux 内核对每一个进程都会分配 4G 虚拟内存空间地址
		用户态： --> 只能操作 0-3G 的内存地址
		内核态： --> 0-4G 的内存地址都可以操作，尤其是对 3-4G 的高位地址必须由
内核态去操作，因为所有进程的 3-4G 的高位地址使用的都是同一块、专门留给 系统
内核 使用的 1G 物理内存

>	3.所有对 硬件资源、系统内核数据 的访问都必须由内核态去执行

如何切换内核态?

​ 通过软件中断

软件中断与硬件中断

> 软件中断
		软件中断是由软件程序触发的中断，如系统调用、软中断、异常等。软件中断不是硬件设备触发的，而是由软件程序主动发起的，一般用于系统调用、进程切换、异常处理等任务。软件中断需要在程序中进行调用，其响应速度和实时性相对较差，但是具有灵活性和可控性高的特点。
	如程序中出现的内存溢出,数组下标越界等

> 硬件中断
	硬件中断是由硬件设备触发的中断，如时钟中断、串口接收中断、外部中断等。当硬件设备有数据或事件需要处理时，会向CPU发送一个中断请求，CPU在收到中断请求后，会立即暂停当前正在执行的任务，进入中断处理程序中处理中断请求。硬件中断具有实时性强、可靠性高、处理速度快等特点。
		如当点击按钮扫描系统高低电频时等

系统调用与库函数的关系

注意：

系统调用是需要时间的，程序中频繁的使用系统调用会降低程序的运行效率。当运行内核代码时，CPU工作在内核态，在系统调用发生前需要保存用户态的栈和内存环境，然后转入内核态工作。系统调用结束后，又要切换回用户态。这种环境的切换会消耗掉许多时间。

文件操作符

概述

>	文件描述符是一个非负整数,代表已打开的文件。
	每一个进程都会创建一张文件描述符表 记录的是当前进程打开的所有文件描述符。
	每一个进程默认打开三个文件描述符：
	0(标准输入设备scanf)
	1(标准输出设备printf)
	2(标准错误输入设备perror)。
	新打开的文件描述符 为最小可用文件描述符

扩展

ulimit是一个计算机命令，用于shell启动进程所占用的资源，可用于修改系统资源限
制。使用ulimit命令用于临时修改资源限制，如果需要永久修改需要将设置写入配置文
件/etc/security/limits.conf。
	ulimit -a 查看open files打开的文件最大数。
	
	ulimit -n 最大数 设置open files打开的文件最大数。

文件磁盘权限

第一位d 说是 文件还是文件夹
2~4位说明	所有者权限
5~7位说明	同组用户权限
8~10位说明其他用户权限
r   4
w   2
x   1
只读   	4 
只写       2  
只执行     1
可读可写    6
可读可执行	5
可读可写可执行  7

系统调用之文件操作

open:打开文件

所需头文件

• #include <sys/types.h>
• #include <sys/stat.h>
• #include <fcntl.h>

函数

int open(const char *pathname,int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数

pathname:  打开的文件地址
flags:     代码操作文件的权限
    必选项
			O_RDONLY 	以只读的方式打开
			O_WRONLY 	以只写的方式打开
			O_RDWR		以可读、可写的方式打开
    可选项
		O_CREAT 	文件不存在则创建文件，使用此选项时需使用 mode 说明文件的权限
		O_EXCL 		如果同时指定了 O_CREAT，且文件已经存在,则打开,如果文件不存在则新建
		O_TRUNC 	如果文件存在，则清空文件内容
		O_APPEND 	写文件时，数据添加到文件末尾
		O_NONBLOCK 	对于设备文件, 以 O_NONBLOCK 方式打开可以做非阻塞I/O

    mode:文件在磁盘中的权限
		格式:
			0ddd
				d的取值:4(可读),2(可写),1(可执行)
				第一个d:所有者权限
				第二个d:同组用户权限
				第三个d:其他用户权限
				如果需要可读可写就是6,可读可执行5等
		如:
			0666:所有者可读可写,同组用户可读可写,其他用户可读可写
			0765:所有者可读可写可执行,同组用户可读可写,其他用户可读可执行
		返回值：
                成功：得到最小可用的文件描述符
			   失败：-1

技巧：

• 操作已有文件使用两参
• 新建文件使用三参

close:关闭文件

0 代表标准输入（stdin），

1 代表标准输出（stdout），

2 代表标准错误输出（stderr），

例如： close(0)；表示 标准输入禁用

所需头文件
	#include<unistd.h>
函数
		int close(int fd);
参数
		关闭的文件描述符
 返回值
			成功：0
			失败：-1，并设置errno

write:写入

所需头文件
	#include <unistd.h>
函数
	ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数
	fd:写入的文件描述符
	buf:写入的内容首地址
	count：写入的长度，单位字节
返回值
	成功：返回写入的内容的长度,单位字节
	失败：-1	

read:读取

所需头
		#include <unistd.h>
函数
		ssize_t read(int fd，void *buf，size_t count);
参数：
		fd:文件描述符
		buf:内存首地址
		count:读取的字节个数
返回值：
		成功：实际读取到的字节个数
		失败：-1

读取完的依据：

返回值 小于 设定的每次读取的字节数

文件状态

fcntl 函数

作用：
	针对已存在的文件描述符设置阻塞状态
语法:
	所需头文件：
			#include <unistd.h>
			#include <fcntl.h>
	函数:
			int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);
	功能:
			改变已打开的文件性质，fcntl 针对描述符提供控制。


参数：
	fd：操作的文件描述符
	cmd：操作方式
	arg：针对 cmd 的值，fcntl 能够接受第三个参数 int arg   

返回值：
		成功：返回某个其他值
		失败：-1                
fcntl 函数有 5 种功能：
		1) 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
		2) 获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD)
		3) 获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL)
		4) 获得／设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN)
		5) 获得／设置记录锁(cmd=FGETLK, F_SETLK 或 F_SETLKW)               

stat 函数

作用：
获取文件状态信息
所需头

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

函数
int stat(const char *path， struct stat *buf);
int lstat(const char *pathname,struct stat *buf);
	参数
1参：文件地址
2参：保存文件信息的结构体

返回值
0:成功
-1:失败

注意：
	当文件是一个符号链接时
		lstat返回的是该符号链接本身的信息。
		stat返回的是该链接指向的文件的信息。【重要】

struct stat {
	dev_t st_dev; //文件的设备编号
	ino_t st_ino; //节点
	mode_t st_mode; //文件的类型和存取的权限
	nlink_t st_nlink; //连到该文件的硬连接数目,刚建立的文件值为 1
	uid_t st_uid; //用户 ID
	gid_t st_gid; //组 ID
  dev_t st_rdev; //(设备类型)若此文件为设备文件，则为其设备编号
  off_t st_size; //文件字节数(文件大小)
  blksize_t st_blksize; //块大小(文件系统的 I/O 缓冲区大小)
  blkcnt_t st_blocks; //块数
  time_t st_atime; //最后一次访问时间
  time_t st_mtime; //最后一次修改时间
  time_t st_ctime; //最后一次改变时间(指属性)
};   

st_mode的值

示例 1：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // O_TRUNC  覆盖清空 O_RDONLY 只读   O_WRONLY 只写  
    int f01 = open("./a.txt", O_RDONLY | O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);
    if (f01 < 0)
    {
        printf("打开失败！\n");
        return 0;
    }
    printf("end \tf01=%d\n", f01); // 3   因为0 1 2 被占用
    int flag = close(f01);
    printf("flag = %d\n", flag);
    if (flag < 0)
    {
        printf("关闭失败\n");
    }
    else
    {
        printf("关闭成功\n");
    }
    return 0;
}

示例 2：只写和追加

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 关闭标准输入流
    close(0);
    // 权限是 只写 和追加 方式 打开
    int fd = open("./a.txt", O_WRONLY | O_APPEND );
    printf("fd = %d\n",fd); //此时打印的fd是0,证明返回的是最小可用描述符
    char *str = "你好\n";
    write(fd, str, strlen(str));
    close(fd); // 关闭文件
    return 0;
}

示例 3： 写文件

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    char *str  = "hello , 系统调用\n"; // 此处中文占了3字节  但是一般中文占2~4  具体视情况而定
    //参数1: 写入的文件描述符 
    //参数2: 写入的内容首地址 
    //参数3: 写入的长度，单位字节
    //成功：返回写入的内容的长度,单位字节 失败：-1
    int t = write(1,str,strlen(str));   // strlen 测长度 不算 \0
    printf("xxz = %d\n",t);
    return 0;
}

示例 4： 读文件

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    char str[50] = {0};
    // 参数一: 文件描述符
    // 参数二: 内存首地址
    // 参数三: 读取的字节个数
    // 返回值: 成功：实际读取到的字节个数   失败：-1
    read(0, str, 50);  // 0 标准输入
    printf("num = %s\n",str);
    return 0;
}

文件夹操作

遍历文件夹很重要

opendir

​ 打开目录

> 作用:打开目录 opendir
所有头文件:
		#include <sys/types.h>
		#include <dirent.h>
函数:
		DIR *opendir(const char *name);
参数：
		name：目录名
返回值：
		成功：返回指向该目录结构体指针(DIR *)
		失败：NULL
DIR:中文名称句柄,其实就是目录的结构体指针

readdir

​ 读取目录

> 作用:		
		读取目录 
所需头文件
		#include <dirent.h>
函数
		struct dirent *readdir(DIR *dirp);
参数：
		dirp：opendir 的返回值
返回值：
		成功：目录结构体指针
		失败：NULL
注意:一次读取一个文件。
	相关结构体说明：
struct dirent
{
	ino_t d_ino; // 此目录进入点的 inode
	off_t d_off; // 目录文件开头至此目录进入点的位移
	signed short int d_reclen; // d_name 的长度, 不包含 NULL 字符
	unsigned char d_type; // d_type 所指的文件类型
	char d_name[256]; // 文件名
};
		d_type说明:
                   DT_BLK 这是一个块设备。(块设备如:磁盘)
                   DT_CHR 这是一个字符设备。(字符设备如:键盘,打印机)
                   DT_DIR 这是一个目录。
                   DT_FIFO 这是一个命名管道（FIFO）。
                   DT_LNK 这是一个符号链接。
                   DT_REG 这是一个常规文件。
                   DT_SOCK 这是一个UNIX域套接字。
                   DT_UNKNOWN 文件类型未知。

示例：遍历文件夹

#include <stdio.h>
#include <string.h>
//   遍历  家目录  文件夹
// 打开文件夹所需头文件
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
void blDIR(char *dirPATH)
{
    DIR *d = opendir(dirPATH);   // 打开文件夹
    //返回指向该目录结构体指针(DIR *)
    if (d == NULL)
    {
        printf("打开失败\n");
        return 0;
    } // 打开成功 使用递归开始遍历
    while (1)
    {
        struct dirent *d2 = readdir(d);
        if (d2 == NULL)
        {
            break;
        }
        if (d2->d_type == DT_DIR)
        {
            if (strcmp(d2->d_name,".") == 0 || strcmp(d2->d_name,"..") == 0) 
            {//遇到文件有. 和.. 的 就暂不执行本次循环
                continue; // 跳出本次循环
            }
            char path[500] = {0};
             //追加操作 将dirent 内容追加到 path尾部
            strcat(path,dirPATH);  
            strcat(path,"/");
            strcat(path,d2->d_name); 
            // printf("=======\n");
            printf("%s\n",path);
            blDIR(path);          
        }
        else if (d2->d_type == DT_REG) // 类型要是文件
        {
            printf("%s\n",d2->d_name);
        }
    }
    closedir(d);// 关闭文件d   
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
    blDIR("/home/xxz/");
    return 0;
}

closedir

​ 关闭目录

> 作用:关闭目录 closedir
所需头文件
		#include <sys/types.h>
		#include <dirent.h>
函数
		int closedir(DIR *dirp);
参数：
		dirp:opendir 返回的指针
返回值：
		成功：0
	失败：-1