文件I/O編程之：Linux系統(tǒng)調(diào)用及用戶編程接口（API）

在搭建起嵌入式開發(fā)環(huán)境之后，從本章開始，讀者將真正開始學(xué)習(xí)嵌入式Linux的應(yīng)用開發(fā)。由于嵌入式Linux是經(jīng)Linux裁減而來的，它的系統(tǒng)調(diào)用及用戶編程接口API與Linux基本是一致的，因此，在以后的章節(jié)中，筆者將首先介紹Linux中相關(guān)內(nèi)容的基本編程開發(fā)，主要講解與嵌入式Linux中一致的部分，然后再將程序移植到嵌入式的開發(fā)板上運(yùn)行。因此，沒有開發(fā)板的讀者也可以先在Linux上開發(fā)相關(guān)應(yīng)用程序，這對(duì)以后進(jìn)入嵌入式Linux的實(shí)際開發(fā)是十分有幫助的。本章主要講解文件I/O相關(guān)開發(fā)，經(jīng)過本章的學(xué)習(xí)，讀者將會(huì)掌握以下內(nèi)容。

由于本章是講解Linux編程開發(fā)的第1章，因此希望讀者更加明確Linux系統(tǒng)調(diào)用和用戶編程接口（API）的概念。在了解了這些之后，會(huì)對(duì)Linux以及Linux的應(yīng)用編程有更深入的理解。

所謂系統(tǒng)調(diào)用是指操作系統(tǒng)提供給用戶程序調(diào)用的一組“特殊”接口，用戶程序可以通過這組“特殊”接口來獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)。例如用戶可以通過進(jìn)程控制相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程管理等。

在這里，為什么用戶程序不能直接訪問系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)呢？這是由于在Linux中，為了更好地保護(hù)內(nèi)核空間，將程序的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間（也就是常稱的內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)），它們分別運(yùn)行在不同的級(jí)別上，在邏輯上是相互隔離的。因此，用戶進(jìn)程在通常情況下不允許訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法使用內(nèi)核函數(shù)，它們只能在用戶空間操作用戶數(shù)據(jù)，調(diào)用用戶空間的函數(shù)。

但是，在有些情況下，用戶空間的進(jìn)程需要獲得一定的系統(tǒng)服務(wù)（調(diào)用內(nèi)核空間程序），這時(shí)操作系統(tǒng)就必須利用系統(tǒng)提供給用戶的“特殊接口”——系統(tǒng)調(diào)用規(guī)定用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核空間的具體位置。進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，程序運(yùn)行空間需要從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間，處理完后再返回用戶空間。

Linux系統(tǒng)調(diào)用部分是非常精簡的系統(tǒng)調(diào)用（只有250個(gè)左右），它繼承了UNIX系統(tǒng)調(diào)用中最基本和最有用的部分。這些系統(tǒng)調(diào)用按照功能邏輯大致可分為進(jìn)程控制、進(jìn)程間通信、文件系統(tǒng)控制、系統(tǒng)控制、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、socket控制、用戶管理等幾類。

前面講到的系統(tǒng)調(diào)用并不是直接與程序員進(jìn)行交互的，它僅僅是一個(gè)通過軟中斷機(jī)制向內(nèi)核提交請(qǐng)求，以獲取內(nèi)核服務(wù)的接口。在實(shí)際使用中程序員調(diào)用的通常是用戶編程接口——API，也就是本書后面要講到的API函數(shù)。但并不是所有的函數(shù)都一一對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，有時(shí)，一個(gè)API函數(shù)會(huì)需要幾個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來共同完成函數(shù)的功能，甚至還有一些API函數(shù)不需要調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用（因此它所完成的不是內(nèi)核提供的服務(wù)）。

在Linux中，用戶編程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的應(yīng)用編程界面標(biāo)準(zhǔn)——POSIX標(biāo)準(zhǔn)。POSIX標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE和ISO/IEC共同開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)基于當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的UNIX實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，描述了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用編程接口（實(shí)際上就是API），用于保證應(yīng)用程序可以在源代碼一級(jí)上在多種操作系統(tǒng)上移植運(yùn)行。這些系統(tǒng)調(diào)用編程接口主要是通過C庫（libc）實(shí)現(xiàn)的。

以上講解了系統(tǒng)調(diào)用、用戶編程接口（API）的概念，分析了它們之間的相互關(guān)系，那么，讀者在第2章中學(xué)到的那么多的Shell系統(tǒng)命令與它們之間又是怎樣的關(guān)系呢？

系統(tǒng)命令相對(duì)API更高了一層，它實(shí)際上是一個(gè)可執(zhí)行程序，它的內(nèi)部引用了用戶編程接口（API）來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。它們之間的關(guān)系如圖6.1所示。

圖6.1系統(tǒng)調(diào)用、API及系統(tǒng)命令之間的關(guān)系