Lecture 5: System Calls in Operating System [Theory + Example + Hands-on Terminal]

Summary

本视频讲解了系统调用的概念及其在操作系统中的重要性。系统调用是用户空间与内核空间之间的接口，允许用户应用程序通过系统调用请求内核服务，如内存分配、文件操作等。通过简单的示例，如创建文件夹和执行进程，阐述了系统调用如何使用户应用能够与硬件交互。此外，还介绍了五种常见的系统调用类型，包括进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信管理。理解系统调用是掌握操作系统的关键，特别是在技术面试中至关重要。

Takeaways

• 😀 系统调用是用户空间与内核空间之间的接口，用于实现两者的交互。
• 😀 操作系统中，用户空间和内核空间是两个独立的区域，系统调用使得它们能够相互作用。
• 😀 例如，当需要进行内存分配时，应用程序通过系统调用请求内核提供硬件访问。
• 😀 系统调用是唯一可以在用户模式和内核模式之间切换的方式。
• 😀 通过图形用户界面（GUI）或命令行接口（CLI）调用系统调用，例如创建文件夹时会触发MKdir命令。
• 😀 GUI和CLI虽然操作不同，但底层都通过系统调用与内核空间交互。
• 😀 系统调用的实现通常是用C语言编写，直接与硬件交互。
• 😀 通过系统调用，进程可以被创建、内存分配、文件操作等。
• 😀 系统调用可以分为五大类：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信管理。
• 😀 操作系统的进程控制、文件管理等功能通过不同的系统调用实现，提升系统的效率和安全性。

Q & A

什么是系统调用，为什么它很重要？

系统调用是用户空间程序与内核空间之间的接口，它允许用户空间的应用程序请求内核提供服务。由于用户空间与内核空间之间存在访问限制，系统调用是唯一能够实现用户空间与内核空间切换的机制。它对硬件访问和资源管理至关重要，用户应用程序必须通过系统调用来与内核交互，获取硬件资源。

系统调用如何帮助应用程序从用户空间切换到内核空间？

系统调用提供了一种机制，使得应用程序能够从用户空间切换到内核空间。例如，当应用程序需要访问硬件资源（如内存或CPU时间）时，它会通过系统调用请求内核执行这些任务，内核在完成任务后再将控制权交还给用户空间。

在视频中提到的'Mkdir'命令如何与系统调用相关？

Mkdir命令用于创建一个新目录。当用户在GUI或命令行中输入'Mkdir'时，用户空间的操作通过系统调用接口(SCI)进入内核空间。在内核空间中，Mkdir命令的实现会执行相关操作，如在文件系统中创建一个目录节点，然后将结果返回给用户空间。

用户模式与内核模式之间是如何切换的？

用户模式与内核模式的切换通常通过软件中断来完成。软件中断通知CPU暂停当前任务，切换到内核模式以执行更高优先级的任务（例如资源管理或硬件访问）。完成任务后，CPU再次切换回用户模式，继续执行用户程序。

系统调用接口(SCI)在系统调用中起什么作用？

系统调用接口(SCI)是内核与用户空间之间的桥梁。当用户程序请求某个操作时，SCI负责将请求从用户空间传递到内核空间，并确保执行正确的内核功能。SCI是进入内核空间的入口点，负责调用相应的内核实现。

视频中提到的内核空间与用户空间的区别是什么？

内核空间与用户空间是操作系统中两个独立的区域。内核空间具有访问硬件的权限，而用户空间则受限，不能直接访问硬件。内核空间处理系统级任务，如进程管理和硬件交互，而用户空间主要用于运行应用程序。

系统调用如何帮助用户应用程序访问硬件？

由于用户空间无法直接访问硬件，应用程序需要通过系统调用请求内核为其提供硬件资源。例如，若应用程序需要分配内存或请求CPU时间，它通过系统调用与内核交互，从而间接实现对硬件的访问。

视频中提到的文件管理系统调用包括哪些？

文件管理系统调用包括open()、read()、write()、close()、chmod()、umask()等。这些调用使得用户程序能够创建、读取、写入、修改文件的权限以及关闭文件等操作。

进程控制系统调用包括哪些操作？

进程控制系统调用包括创建进程(fork())、终止进程(exit())、等待进程(wait())等。这些调用用于管理进程的生命周期，从创建、执行到销毁等。fork()用于创建子进程，exit()用于终止进程，wait()则用于等待子进程完成。

如何理解系统调用在进程管理中的作用？

在进程管理中，系统调用负责创建、管理和终止进程。当用户执行一个程序时，系统调用如fork()创建新进程，执行完毕后通过exit()终止进程。此外，系统调用也涉及进程的内存分配、I/O操作以及与其他进程的通信等。