05 | 学会几个系统调用：咱们公司能接哪些类型的项目？

上一节我们讲了几个重要的 Linux 命令行，只有通过这些命令，用户才能把 Linux 系统用起来，不知道你掌握得如何了？其实 Linux 命令也是一个程序，只不过代码是别人写好的，你直接用就可以了。你可以自己试着写写代码，通过代码把 Linux 系统用起来，这样印象会更深刻。

不过，无论是别人写的程序，还是你写的程序，运行起来都是进程。如果你是一家外包公司，一个项目的运行要使用公司的服务，那就应该去办事大厅，也就是说，你写的程序应该使用系统调用。

你看，系统调用决定了这个操作系统好用不好用、功能全不全。对应到咱们这个公司中，作为一个老板，你应该好好规划一下，你的办事大厅能够提供哪些服务，这决定了你这个公司会被打五星还是打差评。

立项服务与进程管理

首先，我们得有个项目，那就要有立项服务。对应到 Linux 操作系统中就是创建进程。

创建进程的系统调用叫fork。这个名字很奇怪，中文叫“分支”。为啥启动一个新进程叫“分支”呢？

在 Linux 里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用 fork 来实现，其中老的进程叫作父进程（Parent Process），新的进程叫作子进程（Child Process）。

前面我们说过，一个进程的运行是要有一个程序的，就像一个项目的执行，要有一个项目执行计划书。本来老的项目，按照项目计划书按部就班地来，项目执行到一半，突然接到命令，说是要新启动一个项目，这个时候应该怎么办呢？

一个项目的执行是很复杂的，需要涉及公司各个部门的工作，比如说，项目管理部门需要给这个项目组开好 Jira 和 Wiki，会议室管理部要为这个项目分配会议室等等。

所以，我们现在有两种方式，一种是列一个清单，清单里面写明每个新项目组都要开哪些账号。但是，这样每次有项目，都要重新配置一遍新的 Jira、Wiki，复杂得很。另一种方式就是咱们程序员常用的方式，CTRL/C + CTRL/V。也就是说，如果想为新项目建立一套 Jira，但是觉一个个填 Jira 里面的选项太麻烦，那就可以拷贝一个别人的，然后根据新项目的实际情况，将相应的配置改改。

Linux 就是这样想的。当父进程调用 fork 创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的。按理说，如果不进行特殊的处理，父进程和子进程都按相同的程序代码进行下去，这样就没有意义了。

所以，我们往往会这样处理：对于 fork 系统调用的返回值，如果当前进程是子进程，就返回 0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过 if-else 语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也即产生了一个分支（fork）了。

同样是“先拷贝，再修改”的策略，你可能会问，新进程都是父进程 fork 出来的，那到底谁是第一个呢？

作为一个外包公司老板，有了新项目当然会分给手下做，但是当公司刚起步的时候呢？没有下属，只好自己上了。先建立项目运行体系，等后面再做项目的时候，就都按这个来。

对于操作系统也一样，启动的时候先创建一个所有用户进程的“祖宗进程”。这个在讲系统启动的时候还会详细讲，我这里先不多说。

有时候，父进程要关心子进程的运行情况，这毕竟是自己身上掉下来的肉。有个系统调用waitpid，父进程可以调用它，将子进程的进程号作为参数传给它，这样父进程就知道子进程运行完了没有，成功与否。

所以说，所有子项目最终都是老板，也就是祖宗进程 fork 过来的，因而它要对整个公司的项目执行负最终的责任。

会议室管理与内存管理

项目启动之后，每个项目组有独立的会议室，存放自己项目相关的数据。每个项目组都感觉自己有独立的办公空间。

在操作系统中，每个进程都有自己的内存，互相之间不干扰，有独立的进程内存空间。

那独立的办公空间里面，都放些什么呢？

项目执行计划书肯定是要放进去的，因为执行过程中肯定要不断地看。对于进程的内存空间来讲，放程序代码的这部分，我们称为代码段（Code Segment）。

项目执行的过程中，会产生一些架构图、流程图，这些也放在会议室里面。有的画在白板上，讨论完了，进入下个主题就会擦了；有的画在纸和本子上，讨论的时候翻出来，不讨论的时候堆在那里，会保留比较长的一段时间，除非指明的确不需要了才会去销毁。

对于进程的内存空间来讲，放进程运行中产生数据的这部分，我们称为数据段（Data Segment）。其中局部变量的部分，在当前函数执行的时候起作用，当进入另一个函数时，这个变量就释放了；也有动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆（Heap）。

一个进程的内存空间是很大的，32 位的是 4G，64 位的就更大了，我们不可能有这么多物理内存。就像一个公司的会议室是有限的，作为老板，你不可能事先都给项目组分配好。哪有这么多会议室啊，一定是需要的时候再分配。

所以，进程自己不用的部分就不用管，只有进程要去使用部分内存的时候，才会使用内存管理的系统调用来登记，说自己马上就要用了，希望分配一部分内存给它，但是这还不代表真的就对应到了物理内存。只有真的写入数据的时候，发现没有对应物理内存，才会触发一个中断，现分配物理内存。

这里我们介绍两个在堆里面分配内存的系统调用，brk和mmap。

当分配的内存数量比较小的时候，使用 brk，会和原来的堆的数据连在一起，这就像多分配两三个工位，在原来的区域旁边搬两把椅子就行了。当分配的内存数量比较大的时候，使用 mmap，会重新划分一块区域，也就是说，当办公空间需要太多的时候，索性来个一整块。

档案库管理与文件管理

项目执行计划书要保存在档案库里，有一些需要长时间保存，这样哪怕公司暂时停业，再次经营的时候还可以继续使用。同样，程序、文档、照片等，哪怕关机再开机也能不丢的，就需要放在文件系统里面。

文件之所以能做到这一点，一方面是因为介质，另一方面是因为格式。公司之所以强调资料库，也是希望将一些知识固化为标准格式，放在一起进行管理，无论多少人来人走，都不影响公司业务。

文件管理其实花样不多，拍着脑袋都能想出来，无非是创建、打开、读、写等。

对于文件的操作，下面这六个系统调用是最重要的：

• 对于已经有的文件，可以使用open打开这个文件，close关闭这个文件；

• 对于没有的文件，可以使用creat创建文件；

• 打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置；

• 可以对文件的内容进行读写，读的系统调用是read，写是write。

但是别忘了，Linux 里有一个特点，那就是一切皆文件。

• 启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件。

• 启动的时候，要加载一些配置文件，例如 yml、properties 等，这是文本文件；启动之后会打印一些日志，如果写到硬盘上，也是文本文件。

• 但是如果我想把日志打印到交互控制台上，在命令行上唰唰地打印出来，这其实也是一个文件，是标准输出stdout 文件。

• 这个进程的输出可以作为另一个进程的输入，这种方式称为管道，管道也是一个文件。

• 进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的Socket，也是一个文件。

• 进程需要访问外部设备，设备也是一个文件。

• 文件都被存储在文件夹里面，其实文件夹也是一个文件。

• 进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在 /proc 下面有对应的进程号，还是一系列文件。

每个文件，Linux 都会分配一个文件描述符（File Descriptor），这是一个整数。有了这个文件描述符，我们就可以使用系统调用，查看或者干预进程运行的方方面面。

所以说，文件操作是贯穿始终的，这也是“一切皆文件”的优势，就是统一了操作的入口，提供了极大的便利。

项目异常处理与信号处理

在项目运行过程中，不一定都是一帆风顺的，很可能遇到各种异常情况。作为老板，处理异常情况的能力是非常重要的，所以办事大厅也一定要包含这部分服务。

当项目遇到异常情况，例如项目中断，做到一半不做了。这时候就需要发送一个信号（Signal）给项目组。经常遇到的信号有以下几种：

• 在执行一个程序的时候，在键盘输入“CTRL+C”，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出；

• 如果非法访问内存，例如你跑到别人的会议室，可能会看到不该看的东西；

• 硬件故障，设备出了问题，当然要通知项目组；

• 用户进程通过kill函数，将一个用户信号发送给另一个进程。

当项目组收到信号的时候，项目组需要决定如何处理这些异常情况。

对于一些不严重的信号，可以忽略，该干啥干啥，但是像 SIGKILL（用于终止一个进程的信号）和 SIGSTOP（用于中止一个进程的信号）是不能忽略的，可以执行对于该信号的默认动作。每种信号都定义了默认的动作，例如硬件故障，默认终止；也可以提供信号处理函数，可以通过sigaction系统调用，注册一个信号处理函数。

提供了信号处理服务，项目执行过程中一旦有变动，就可以及时处理了。

项目组间沟通与进程间通信

当某个项目比较大的时候，可能分成多个项目组，不同的项目组需要相互交流、相互配合才能完成，这就需要一个项目组之间的沟通机制。项目组之间的沟通方式有很多种，我们来一一规划。

首先就是发个消息，不需要一段很长的数据，这种方式称为消息队列（Message Queue）。由于一个公司内的多个项目组沟通时，这个消息队列是在内核里的，我们可以通过msgget创建一个新的队列，msgsnd将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用msgrcv从队列中取消息。

当两个项目组需要交互的信息比较大的时候，可以使用共享内存的方式，也即两个项目组共享一个会议室（这样数据就不需要拷贝来拷贝去）。大家都到这个会议室来，就可以完成沟通了。这时候，我们可以通过shmget创建一个共享内存块，通过shmat将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。

但是，两个项目组共同访问一个会议室里的数据，就会存在“竞争”的问题。如果大家同时修改同一块数据咋办？这就需要有一种方式，让不同的人能够排他地访问，这就是信号量的机制Semaphore。

这个机制比较复杂，我这里说一种简单的场景。

对于只允许一个人访问的需求，我们可以将信号量设为 1。当一个人要访问的时候，先调用sem_wait。如果这时候没有人访问，则占用这个信号量，他就可以开始访问了。如果这个时候另一个人要访问，也会调用 sem_wait。由于前一个人已经在访问了，所以后面这个人就必须等待上一个人访问完之后才能访问。当上一个人访问完毕后，会调用sem_post将信号量释放，于是下一个人等待结束，可以访问这个资源了。

公司间沟通与网络通信

同一个公司不同项目组之间的合作搞定了，如果是不同公司之间呢？也就是说，这台 Linux 要和另一台 Linux 交流，这时候，我们就需要用到网络服务。

不同机器的通过网络相互通信，要遵循相同的网络协议，也即TCP/IP 网络协议栈。Linux 内核里有对于网络协议栈的实现。如何暴露出服务给项目组使用呢？

网络服务是通过套接字 Socket 来提供服务的。Socket 这个名字很有意思，可以作“插口”或者“插槽”讲。虽然我们是写软件程序，但是你可以想象成弄一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。因此，在通信之前，双方都要建立一个 Socket。

我们可以通过 Socket 系统调用建立一个 Socket。Socket 也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信。

好了，我们分门别类地规划了这么多办事大厅的服务，如果这些都有了，足够我们成长为一个大型跨国公司了。

查看源代码中的系统调用

你如果问，这里的系统调用列举全了吗？其实没有，系统调用非常多。我建议你访问https://www.kernel.org下载一份 Linux 内核源代码。因为在接下来的整个课程里，我讲述的逻辑都是这些内核代码的逻辑。

对于 64 位操作系统，找到 unistd_64.h 文件，里面对于系统调用的定义，就是下面这样。

#define __NR_restart_syscall	  0
#define __NR_exit		  1
#define __NR_fork		  2
#define __NR_read		  3
#define __NR_write		  4
#define __NR_open		  5
#define __NR_close		  6
#define __NR_waitpid		  7
#define __NR_creat		  8
......
复制代码

中介与 Glibc

如果你做过开发，你会觉得刚才讲的和平时咱们调用的函数不太一样。这是因为，平时你并没有直接使用系统调用。虽然咱们的办事大厅已经很方便了，但是为了对用户更友好，我们还可以使用中介Glibc，有事情找它就行，它会转换成为系统调用，帮你调用。

Glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库。Glibc 为程序员提供丰富的 API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。

每个特定的系统调用对应了至少一个 Glibc 封装的库函数，比如说，系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 Glibc 中的 open 函数。

有时候，Glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用，比如说，Glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用。

也有时候，多个 API 也可能只对应同一个系统调用，如 Glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。

总结时刻

学了这么多系统调用，我们还是用一个图来总结一下。

课堂练习

有个命令 strace，常用来跟踪进程执行时系统调用和所接收的信号。你可以试一下咱们学过的命令行，看看都执行了哪些系统调用。

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