操作系统：系统调用的分类（Types of System Calls）

目录

[进程控制（Process Control）](#进程控制（Process Control）)

[文件操作（File Manipulation）](#文件操作（File Manipulation）)

[设备操作（Device Manipulation）](#设备操作（Device Manipulation）)

[信息维护（Information Maintenance）](#信息维护（Information Maintenance）)

通信（Communications）

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进程控制（Process Control）

在操作系统中，程序是通过"进程（process）"来运行的。进程控制类系统调用用于创建、执行、终止进程，以及控制进程的运行、同步和资源分配。

这些系统调用是操作系统中最核心的一类，它们决定了程序如何启动、运行、暂停、终止，以及进程之间如何交互。

常见的进程控制 系统调用及作用：

系统调用功能	示例说明
end / abort	结束当前进程：exit()、abort()
load / execute	加载并运行新程序：exec()、system()
create process / terminate process	创建子进程：fork()、终止：exit()、kill()
get / set process attributes	获取或修改进程的属性，如 PID、优先级等：getpid()、setpriority()
wait for time	睡眠一定时间：sleep()、usleep()、nanosleep()
wait event / signal event	进程同步：wait(), signal(), waitpid()
allocate / free memory	动态内存管理：malloc() (用户库函数)，底层可能涉及系统调用如 brk() 或 mmap()

1️⃣ end / abort --- 结束或强制中止程序

• end：程序正常执行完，调用 exit()，告诉系统"我已经完成了，可以清理资源了"。

• abort：程序出现严重错误时，调用 abort() 强行终止执行。

类比：就像你写作业写完了说"我写完了"是 end()，作业突然丢了、无法继续写是 abort()。

2️⃣ load / execute --- 加载并执行新程序

• load：操作系统把一个程序从磁盘加载进内存

• execute：让 CPU 执行这个程序

举例：你双击"写字板"，操作系统就：

1. 把写字板程序从硬盘"load"到内存；

2. 然后"execute"，即执行它。

Linux 中用 exec() 函数完成这一步。比如：exec("gedit") → 执行文本编辑器。

3️⃣ create process / terminate process --- 创建或终止进程

• 创建进程的系统调用是：fork()（拷贝一个新进程）

• 终止进程用：exit()，或者给其他进程发送 kill()

类比：妈妈（父进程）生了个小孩（子进程） = fork()

小孩长大离家或死去 = exit()

4️⃣ get process attributes / set process attributes

（获取或设置进程属性）

• 比如查看进程号（getpid()）、父进程号（getppid()）、设置优先级（setpriority()）

类比：每个员工都有编号（PID）、领导编号（PPID）、权限等级（优先级）

5️⃣ wait for time --- 等待一段时间

• 用 sleep(5) 就可以暂停进程 5 秒钟

像你写完一段代码，想等几秒看看结果 → 就用 sleep()

6️⃣ wait event / signal event --- 等待或通知其他进程

• wait()：父进程等待子进程完成

• signal() / kill()：给其他进程发消息（通知或终止）

类比：爸爸等儿子写完作业才带他出去玩（wait()），儿子喊"我写完了！"（signal()）

7️⃣ allocate memory / free memory --- 动态申请或释放内存

• 程序运行中如果需要临时使用内存，就调用内存分配函数

• 例如 malloc() 虽然是库函数，但背后可能调用系统调用 brk() 或 mmap()

类比：你写作业突然需要一个新笔记本 → 向操作系统申请一本（内存）

小例子：一个小程序可能会这么运行：

int main() {
    int pid = fork();               // 创建一个子进程
    if (pid == 0) {
        exec("gedit");             // 子进程打开文本编辑器
    } else {
        wait();                    // 父进程等待子进程完成
    }
    exit(0);                       // 正常结束
}

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文件操作（File Manipulation）

文件操作类是指程序在运行中，通过"系统调用"来请求操作系统对文件进行创建、读写、删除、信息获取等管理操作。

就像你在使用"记事本"打开 .txt 文件并保存内容时，实际上背后操作系统在帮你执行一系列文件系统调用。

为什么需要"系统调用"来操作文件？

程序是不能直接碰硬盘的。

比如你写了一个程序，它想保存一篇日记，它必须向操作系统申请："请帮我打开/创建一个文件，我要写进去内容！"

这个"申请"的过程，就是通过 系统调用（System Call）完成的。

常见的文件操作系统调用

🔹 1. 创建文件（Create File）

open("mydiary.txt", O_CREAT);

• 操作系统帮你在磁盘上创建一个空文件

• 你说："操作系统，请给我一本新日记本"，操作系统就新建一个 mydiary.txt 文件。

🔹 2. 打开文件（Open）

int fd = open("mydiary.txt", O_RDWR);

• 打开文件后，系统会返回一个数字（叫文件描述符 fd）

• 程序就可以通过这个 fd 来对文件进行后续操作

🔹 3. 写入文件（Write）

write(fd, "今天心情不错。", 18);

• 把内存中的内容写入到文件中

• 必须先用 open() 打开，才能 write()

🔹 4. 读取文件（Read）

read(fd, buffer, 100);

• 你可以从文件中读取内容到内存里

• 读取之前也要先 open()，否则读不了

🔹 5. 重新定位文件指针（Reposition）

lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 移到开头

• 每次写或读，其实都有个"笔尖"在移动

• lseek() 就是把"笔尖"移动到你想要的地方

🔹 6. 获取文件信息（Get File Attributes）

stat("mydiary.txt", &info);

你可以查看文件大小、创建时间、修改时间、权限等等

🔹 7. 关闭文件（Close）

close(fd);

用完文件必须关掉，告诉操作系统"我写完了，文件你可以放下了"

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设备操作（Device Manipulation）

设备操作类系统调用，让程序可以读写硬件设备，例如：键盘、鼠标、打印机、磁盘、显示器等。

就像你按下一个键，系统把它变成文字，或你点击"打印"，系统就开始工作，这些都依赖于"设备操作"系统调用。

系统调用类别和说明：

1️⃣ request device（请求设备）

向操作系统申请使用某个设备。

在操作系统中，一个进程请求访问设备时，会调用这样的系统调用，操作系统会：

• 检查设备是否空闲

• 如果空闲，则允许访问

• 否则让程序等待，或返回失败

2️⃣ release device（释放设备）

使用完毕后通知操作系统"我用完了"。

如果忘记释放设备，可能会导致"设备被锁死"，其他进程用不了。

3️⃣ read / write（读 / 写设备）

📖 从设备读取 / 📝 写入设备。

设备在操作系统中通常看作一种特殊的"文件"，因此可以对它读写：

• read()：如从键盘读取、从磁盘读取、从传感器获取数据

• write()：如向打印机输出、向声卡发送音频流、向显示器输出图像

4️⃣ reposition（重新定位设备读写指针）

📍 调整设备中读写的位置，常用于磁盘驱动器或串行设备。

比如你正在从一个音频设备读取数据，如果想跳过一段静音区域，你就要调整读取的位置。

5️⃣ get / set device attributes

🔍 查询 / ✏️ 设置设备的属性信息

• get：查看当前设备状态（开/关、剩余空间、连接状态、设备类型等）

• set：配置设备参数，如波特率、分辨率、模式等

常用系统调用是 ioctl()（input/output control）

类比：打印前查看是否缺纸（get），切换为双面打印（set）。

6️⃣ logically attach / detach devices

🔌 将设备逻辑上挂载或卸载进系统。

• "Attach" 表示把设备"挂接"到操作系统中，准备使用（例如 USB 插入）

• "Detach" 表示设备断开或被卸载（例如安全移除 U 盘）

操作系统通过这些调用维护设备与系统的关系。

类比：把 U 盘插入电脑（attach），写完东西后"安全弹出"（detach）

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信息维护（Information Maintenance）

信息维护系统调用 让程序可以获取或设置系统信息，如当前时间、系统状态、文件属性、进程状态、设备信息等。

你可以把它理解为：

📋 "向操作系统打听情况" 或 "告诉操作系统更新信息"的官方手段

分类说明

1️⃣ get time or date、set time or date

获取或设置当前时间和日期

• 获取系统时间：gettimeofday()（UNIX）

• 设置系统时间：settimeofday()（需要管理员权限）

你问操作系统："现在几点啦？"（get）管理员说："把时间调到 8:00AM。"（set）

2️⃣ get system data、set system data

获取或设置操作系统的配置信息或统计数据

• 系统内存使用情况

• 当前负载、在线用户数

• 操作系统版本

你问："这台电脑还有多少内存？"

3️⃣ get attributes（获取属性）

查询：

• 进程属性（如 PID、状态）

• 文件属性（大小、时间戳、权限）

• 设备状态（连接状态、使用状态）

示例系统调用：

• stat()：获取文件的元信息（大小、权限、时间）

• getpid()：获取进程 PID

• ioctl()：获取设备状态

就像你查看"某个文件多大、谁创建的"，或者"打印机有没有纸"。

4️⃣ set attributes（设置属性）

修改：

• 文件权限（可读/可写/执行）

• 文件所有者（UID/GID）

• 进程优先级

• 设备参数（例如终端是否支持颜色）

类比：给文件贴上"禁止修改"标签（只读），或将文件"转让"给另一个用户。

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通信（Communications）

通信类系统调用用于让不同的"进程（程序）"之间相互发送消息、共享数据、同步状态 ，不管这些进程是在同一台电脑 上，还是不同的电脑上。

你可以把它理解成："程序之间的微信聊天 + 文件共享 + 远程协作"。

通信的两种主要方式：

类型	描述	举例
🖥️ 进程间通信（IPC）	两个程序在同一台计算机上通信	浏览器和下载器协作
🌐 网络通信	两个程序在不同计算机上通信	微信客户端和服务器之间通信

通信类系统调用详解

1️⃣ create communication connection（建立通信连接）

程序首先需要"建立一条通道"才能进行通信，就像打电话前要拨号。

类比：A 程序说："我要和 B 程序通话，先建立一条管道。"

2️⃣ delete communication connection（断开通信）

通信完成后需要关闭连接，以节省资源。

类比："电话打完了，挂掉。" 或 "关闭聊天室。"

3️⃣ send / receive messages（发送/接收消息）

通信的核心就是发送消息和接收消息。

4️⃣ transfer status information（传递状态信息）

进程不止传递消息，有时候还要"告知对方我现在状态如何"：

比如"我已经准备好"、"我完成了"、"请等一下"。

比如你和同事协作时说："我完成第 1 步了，你可以继续做第 2 步了。"

5️⃣ attach / detach remote devices（挂接/卸载远程设备）

这个功能出现在网络分布式系统中，比如：

• 远程挂接一台打印机

• 在一台电脑上远程访问另一台电脑的硬盘