برنامج تعليمي حول مكالمات نظام Linux مع C

في هذه المقالة ، سنستخدم مكالمات النظام الفعلية للقيام بعمل حقيقي في برنامج سي. أولاً ، سنراجع ما إذا كنت بحاجة إلى استخدام مكالمة نظام ، ثم نقدم مثالاً باستخدام استدعاء sendfile () الذي يمكن أن يحسن أداء نسخ الملف بشكل كبير. أخيرًا ، سنستعرض بعض النقاط التي يجب تذكرها أثناء استخدام مكالمات نظام Linux.

على الرغم من أنه أمر لا مفر منه ، ستستخدم مكالمة نظام في مرحلة ما من حياتك المهنية في تطوير C ، إلا إذا كنت تستهدف الأداء العالي أو وظيفة من نوع معين ، فإن مكتبة glibc والمكتبات الأساسية الأخرى المضمنة في توزيعات Linux الرئيسية ستهتم بأغلبية احتياجاتك.

توفر مكتبة glibc القياسية إطار عمل عبر الأنظمة الأساسية تم اختباره جيدًا لتنفيذ الوظائف التي قد تتطلب بخلاف ذلك استدعاءات نظام خاصة بالنظام. على سبيل المثال ، يمكنك قراءة ملف باستخدام fscanf () أو fread () أو getc () وما إلى ذلك ، أو يمكنك استخدام استدعاء نظام Linux read (). توفر وظائف glibc المزيد من الميزات (مثل معالجة الأخطاء بشكل أفضل ، IO المنسق ، وما إلى ذلك) وستعمل على أي نظام يدعم glibc.

من ناحية أخرى ، هناك أوقات يكون فيها الأداء الذي لا هوادة فيه والتنفيذ الدقيق أمرًا بالغ الأهمية. الغلاف الذي يوفره fread () سيضيف حملًا ، وعلى الرغم من كونه بسيطًا ، إلا أنه ليس شفافًا تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، قد لا ترغب أو تحتاج إلى الميزات الإضافية التي يوفرها الغلاف. في هذه الحالة ، من الأفضل أن تحصل على مكالمة نظام.

يمكنك أيضًا استخدام مكالمات النظام لأداء وظائف لم يدعمها glibc بعد. إذا كانت نسختك من glibc محدثة ، فلن تكون هذه مشكلة ، ولكن التطوير على التوزيعات القديمة مع أحدث النوى قد يتطلب هذه التقنية.

الآن بعد أن قرأت بيانات إخلاء المسؤولية والتحذيرات والمنعطفات المحتملة ، دعنا الآن نتعمق في بعض الأمثلة العملية.

ما هي وحدة المعالجة المركزية لدينا؟

سؤال ربما لا تفكر معظم البرامج في طرحه ، ولكنه سؤال صالح رغم ذلك. هذا مثال لاستدعاء النظام الذي لا يمكن تكراره مع glibc ولا يتم تغطيته بغلاف glibc. في هذا الكود ، سنقوم باستدعاء getcpu () مباشرة عبر وظيفة syscall (). تعمل وظيفة syscall على النحو التالي:

الوسيطة الأولى ، SYS_call ، هي تعريف يمثل رقم استدعاء النظام. عند تضمين sys / syscall.h ، يتم تضمينها. الجزء الأول هو SYS_ والجزء الثاني هو اسم استدعاء النظام.

يتم الانتقال إلى وسيطات الاستدعاء إلى arg1 و arg2 أعلاه. تتطلب بعض المكالمات مزيدًا من الحجج ، وستستمر بالترتيب من صفحة الدليل الخاصة بهم. تذكر أن معظم الوسائط ، خاصة بالنسبة للعائدات ، ستتطلب مؤشرات لمصفوفات أحرف أو ذاكرة مخصصة عبر وظيفة malloc.

example1.c

للحصول على نتائج أكثر إثارة للاهتمام ، يمكنك تدوير الخيوط عبر مكتبة pthreads ثم استدعاء هذه الوظيفة لمعرفة المعالج الذي يتم تشغيل مؤشر ترابطك عليه.

Sendfile: أداء فائق

يوفر Sendfile مثالاً ممتازًا لتحسين الأداء من خلال استدعاءات النظام. تقوم الدالة sendfile () بنسخ البيانات من واصف ملف إلى آخر. بدلاً من استخدام دالات fread () و fwrite () ، ينفذ Sendfile النقل في مساحة kernel ، مما يقلل الحمل وبالتالي يزيد الأداء.

في هذا المثال ، سنقوم بنسخ 64 ميغابايت من البيانات من ملف إلى آخر. في أحد الاختبارات ، سنستخدم طرق القراءة / الكتابة القياسية في المكتبة القياسية. في الجانب الآخر ، سنستخدم مكالمات النظام واستدعاء sendfile () لتفجير هذه البيانات من موقع إلى آخر.

test1.c (glibc)

test2.c (مكالمات النظام)

تجميع وتشغيل الاختبارات 1 و 2

لإنشاء هذه الأمثلة ، ستحتاج إلى تثبيت أدوات التطوير على التوزيع الخاص بك. على Debian و Ubuntu ، يمكنك تثبيت هذا باستخدام:

ثم قم بالتجميع باستخدام:

لتشغيل كليهما واختبار الأداء ، قم بتشغيل:

يجب أن تحصل على نتائج مثل هذا:

اختبار الإدخال / الإخراج مع وظائف glibc التقليدية.

كما ترى ، فإن الكود الذي يستخدم مكالمات النظام يعمل بشكل أسرع بكثير من المكافئ glibc.

أشياء للذكرى

يمكن أن تؤدي مكالمات النظام إلى زيادة الأداء وتوفير وظائف إضافية ، ولكنها لا تخلو من عيوبها. سيتعين عليك الموازنة بين الفوائد التي توفرها مكالمات النظام مقابل نقص إمكانية نقل النظام الأساسي وانخفاض الوظائف في بعض الأحيان مقارنة بوظائف المكتبة.

عند استخدام بعض استدعاءات النظام ، يجب أن تحرص على استخدام الموارد التي يتم إرجاعها من مكالمات النظام بدلاً من وظائف المكتبة. على سبيل المثال ، بنية FILE المستخدمة لوظائف glibc's fopen () و fread () و fwrite () و fclose () ليست هي نفسها رقم واصف الملف من استدعاء النظام open () (يتم إرجاعه كعدد صحيح). خلط هذه يمكن أن يؤدي إلى مشاكل.

بشكل عام ، تحتوي مكالمات نظام Linux على ممرات أقل من وظائف glibc. في حين أنه من الصحيح أن مكالمات النظام بها بعض معالجة الأخطاء وإعداد التقارير ، ستحصل على وظائف أكثر تفصيلاً من وظيفة glibc.

وأخيراً ، كلمة عن الأمن. يستدعي النظام واجهة مباشرة مع النواة. تتمتع نواة Linux بحماية شاملة ضد الخدع من أرض المستخدم ، ولكن توجد أخطاء غير مكتشفة. لا تثق في أن مكالمة النظام ستتحقق من صحة إدخالك أو تعزلك عن مشكلات الأمان. من الحكمة التأكد من تعقيم البيانات التي ترسلها إلى مكالمة النظام. بطبيعة الحال ، هذه نصيحة جيدة لأي استدعاء لواجهة برمجة التطبيقات ، لكن لا يمكنك توخي الحذر عند العمل مع النواة.

أتمنى أن تكون قد استمتعت بهذا الغوص العميق في أرض مكالمات نظام Linux. للحصول على قائمة كاملة بمكالمات نظام Linux ، راجع قائمتنا الرئيسية.