Parus16.ru

Парус №16
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Библиотека windows h c описание

Библиотеки

Библиотеки позволяют использовать разработанный ранее программный код в различных программах. Таким образом, программист может не разрабатывать часть кода для своей программы, а воспользоваться тем, что входит в состав библиотек.

В языке программирования C код библиотек представляет собой функции, размещенные в файлах, которые скомпилированы в объектные файлы, а те, в свою очередь, объединены в библиотеки. В одной библиотеке объединяются функции, решающие определенный тип задач. Например, существует библиотека математических функций.

У каждой библиотеки должен быть свой заголовочный файл, в котором должны быть описаны прототипы (объявления) всех функций, содержащихся в этой библиотеке. С помощью заголовочных файлов вы «сообщаете» вашему программному коду, какие библиотечные функции есть и как их использовать.

При компиляции программы библиотеки подключаются линковщиком, который вызывается gcc. Если программе требуются только стандартные библиотеки, то дополнительных параметров линковщику передавать не надо (есть исключения). Он «знает», где стандартные библиотеки находятся, и подключит их автоматически. Во всех остальных случаях при компиляции программы требуется указать имя библиотеки и ее местоположение.

Библиотеки бывают двух видов — статические и динамические. Код первых при компиляции полностью входит в состав исполняемого файла, что делает программу легко переносимой. Код динамических библиотек не входит в исполняемый файл, последний содержит лишь ссылку на библиотеку. Если динамическая библиотека будет удалена или перемещена в другое место, то программа работать не будет. С другой стороны, использование динамических библиотек позволяет сократить размер исполняемого файла. Также если в памяти находится две программы, использующие одну и туже динамическую библиотеку, то последняя будет загружена в память лишь единожды.

Далее будет описан пример, в котором создается библиотека, после чего используется при создании программы.

Пример создания библиотеки

Допустим, мы хотим создать код, который в дальнейшем планируем использовать в нескольких проектах. Следовательно, нам требуется создать библиотеку. Исходный код для библиотеки было решено разместить в двух файлах исходного кода.
Также на данный момент у нас есть план первого проекта, использующего эту библиотеку. Сам проект также будет включать два файла.

В итоге, когда все будет сделано, схема каталогов и файлов будет выглядеть так:

Пусть каталоги library и project находятся в одном общем каталоге, например, домашнем каталоге пользователя. Каталог library содержит каталог source с файлами исходных кодов библиотеки. Также в library будут находиться заголовочный файл (содержащий описания функций библиотеки), статическая (libmy1.a) и динамическая (libmy2.so) библиотеки. Каталог project будет содержать файлы исходных кодов проекта и заголовочный файл с описанием функций проекта. Также после компиляции с подключением библиотеки здесь будет располагаться исполняемый файл проекта.
В операционных системах GNU/Linux имена файлов библиотек должны иметь префикс «lib», статические библиотеки — расширение *.a, динамические — *.so.

Для компиляции проекта достаточно иметь только одну библиотеку: статическую или динамическую. В образовательных целях мы получим обе и сначала скомпилируем проект со статической библиотекой, потом — с динамической. Статическая и динамическая «разновидности» одной библиотеки по-идее должны называться одинаково (различаются только расширения). Поскольку у нас обе библиотеки будут находиться в одном каталоге, то чтобы быть уверенными, что при компиляции проекта мы используем ту, которую хотим, их названия различны (libmy1 и libmy2).

Исходный код библиотеки

В файле figure.c содержатся две функции — rect() и diagonals() . Первая принимает в качестве аргументов символ и два числа и «рисует» на экране с помощью указанного символа прямоугольник заданной ширины и высоты. Вторая функция выводит на экране две диагонали квадрата («рисует» крестик).

В файле text.c определена единственная функция, принимающая указатель на символ строки. Функция выводит на экране звездочки в количестве, соответствующем длине указанной строки.

Заголовочный файл можно создать в каталоге source, но мы лучше сохраним его там, где будут библиотеки. В данном случае это на уровень выше (каталог library). Тем самым как бы подчеркивается, что файлы исходных кодов после создания из них библиотеки вообще не нужны пользователям библиотек, они нужны лишь разработчику библиотеки. А вот заголовочный файл библиотеки требуется для ее правильного использования.

Создание статической библиотеки

Статическую библиотеку создать проще, поэтому начнем с нее. Она создается из обычных объектных файлов путем их архивации с помощью утилиты ar.

Все действия, которые описаны ниже выполняются в каталоге library (т.е. туда надо перейти командой cd). Просмотр содержимого каталога выполняется с помощью команды ls или ls -l.

Получаем объектные файлы:

В итоге в каталоге library должно наблюдаться следующее:

Далее используем утилиту ar для создания статической библиотеки:

Параметр r позволяет вставить файлы в архив, если архива нет, то он создается. Далее указывается имя архива, после чего перечисляются файлы, из которых архив создается.

Читайте так же:
Виндовс 10 описание на русском

Объектные файлы нам не нужны, поэтому их можно удалить:

В итоге содержимое каталога library должно выглядеть так:

, где libmy1.a — это статическая библиотека.

Создание динамической библиотеки

Объектные файлы для динамической библиотеки компилируются особым образом. Они должны содержать так называемый позиционно-независимый код (position independent code). Наличие такого кода позволяет библиотеке подключаться к программе, когда последняя загружается в память. Это связано с тем, что библиотека и программа не являются единой программой, а значит как угодно могут располагаться в памяти относительно друг друга. Компиляция объектных файлов для динамической библиотеки должна выполняться с опцией -fPIC компилятора gcc:

В отличие от статической библиотеки динамическую создают при помощи gcc указав опцию -shared:

Использованные объектные файлы можно удалить:

В итоге содержимое каталога library:

Использование библиотеки в программе

Исходный код программы

Теперь в каталоге project (который у нас находится на одном уровне файловой иерархии с library) создадим файлы проекта, который будет использовать созданную библиотеку. Поскольку сама программа будет состоять не из одного файла, то придется здесь также создать заголовочный файл.

Функция data() запрашивает у пользователя данные, помещая их в массив strs. Далее вызывает библиотечную функцию diagonals() , которая выводит на экране «крестик». После этого на каждой итерации цикла вызывается библиотечная функция text() , которой передается очередной элемент массива; функция text() выводит на экране звездочки в количестве равному длине переданной через указатель строки.

Обратите внимание на то, как подключается заголовочный файл библиотеки: через относительный адрес. Две точки обозначают переход в каталог на уровень выше, т.е. родительский по отношению к project, после чего путь продолжается во вложенный в родительский каталог library. Можно было бы указать абсолютный путь, например, «/home/pl/c/les22/library/mylib.h». Однако при перемещении каталогов библиотеки и программы на другой компьютер или в другой каталог адрес был бы уже не верным. В случае с относительным адресом требуется лишь сохранять расположение каталогов project и library относительно друг друга.

Здесь два раза вызывается библиотечная функция rect() и один раз функция data() из другого файла проекта. Чтобы сообщить функции main() прототип data() также подключается заголовочный файл проекта.

Файл project.h содержит всего одну строчку:

Из обоих файлов проекта с исходным кодом надо получить объектные файлы для объединения их потом с файлом библиотеки. Сначала мы получим исполняемый файл, содержащий статическую библиотеку, потом — связанный с динамической библиотекой. Однако с какой бы библиотекой мы не компоновали объектные файлы проекта, компилируются они как для статической, так и динамической библиотеки одинаково:

При этом не забудьте сделать каталог project текущим!

Компиляция проекта со статической библиотекой

Теперь в каталоге project есть два объектных файла: main.o и data.o. Их надо скомпилировать в исполняемый файл project, объединив со статической библиотекой libmy1.a. Делается это с помощью такой команды:

Начало команды должно быть понятно: опция -o указывает на то, что компилируется исполняемый файл project из объектных файлов.

Помимо объектных файлов проекта в компиляции участвует и библиотека. Об этом свидетельствует вторая часть команды: -L../library -lmy1. Здесь опция -L указывает на адрес каталога, где находится библиотека, он и следует сразу за ней. После опции -l записывается имя библиотеки, при этом префикс lib и суффикс (неважно .a или .so) усекаются. Обратите внимание, что после данных опций пробел не ставится.

Опцию -L можно не указывать, если библиотека располагается в стандартных для данной системы каталогах для библиотек. Например, в GNU/Linux это /lib/, /urs/lib/ и др.

Запустив исполняемый файл project и выполнив программу, мы увидим на экране примерно следующее:

Посмотрим размер файла project:

Его размер равен 8698 байт.

Компиляция проекта с динамической библиотекой

Теперь удалим исполняемый файл и получим его уже связанным с динамической библиотекой. Команда компиляции с динамической библиотекой выглядит так (одна команда разбита на две строки с помощью обратного слэша и перехода на новую строку):

Здесь в отличии от команды компиляции со статической библиотеки добавлены опции для линковщика: -Wl,-rpath. /library/. -Wl — это обращение к линковщику, -rpath — опция линковщика, ../library/ — значение опции. Получается, что в команде мы два раза указываем местоположение библиотеки: один раз с опцией -L, а второй раз с опцией -rpath. Видимо для того, чтобы понять, почему так следует делать, потребуется более основательно изучить процесс компиляции и компоновки программ на языке C.

Следует заметить, что если вы скомпилируете программу, используя приведенную команду, то исполняемый файл будет запускаться из командной строки только в том случае, если текущий каталог project. Стоит сменить каталог, будет возникать ошибка из-за того, что динамическая библиотека не будет найдена. Но если скомпилировать программу так:

Читайте так же:
Виндовс 10 не видит компьютеры в сети

, т.е. указать для линковщика абсолютный адрес, то программа в данной системе будет запускаться из любого каталога.

Размер исполняемого файла проекта, связанного с динамической библиотекой, получился равным 8544 байта. Это немного меньше, чем при компиляции проекта со статической библиотекой. Если посмотреть на размеры библиотек:

, то видно, что динамическая больше статической, хотя исполняемый файл проекта со статической библиотекой больше. Это доказывает, что в исполняемом файле, связанном с динамической библиотекой, присутствует лишь ссылка на нее.

Директива #include в C/C++ с примерами

#include — это способ включения в программу стандартного или определяемого пользователем файла, который в основном пишется в начале любой программы на C/C++.

Директива

Эта директива читается препроцессором и приказывает ему вставить в данную программу содержимое пользовательского или системного заголовочного файла. Эти файлы в основном импортируются из внешнего источника в текущую программу.

Процесс импортирования таких файлов, которые могут быть системными или пользовательскими, известен как File Inclusion (англ. — включение файлов). Этот тип директивы препроцессора указывает компилятору включить файл в исходный код программы.

Вот два типа файлов, которые могут быть включены с помощью #include :

1. Заголовочный файл или стандартный файл. Это файл, который содержит C/C++ объявления функций и макроопределения для совместного использования между несколькими исходными файлами.

Такие функции, как printf() , scanf() , cout , cin и различные другие функции ввода-вывода или другие стандартные функции содержатся в различных заголовочных файлах. Поэтому для использования этих функций пользователям необходимо импортировать несколько заголовочных файлов, которые определяют требуемые функции.

2. Файлы, определяемые пользователем. Эти файлы похожи на заголовочные файлы, за исключением того, что они написаны и определены самим пользователем. Это избавляет пользователя от многократной записи определенной функции. После записи пользовательский файл может быть импортирован в любое место программы с помощью препроцессора #include .

Синтаксис

Включая использование » «. При использовании двойных кавычек (» «) препроцессор получает доступ к текущей директории, в которой находится исходный «header_file». Этот тип в основном используется для доступа к любым заголовочным файлам пользовательской программы или пользовательским файлам.

Включая использование < >. При импорте файла с использованием угловых скобок(< >) препроцессор использует предопределенный путь к каталогу для доступа к файлу. В основном он используется для доступа к системным заголовочным файлам, расположенным в стандартных системных каталогах.

Пример 1. Здесь показан импорт системного заголовка ввода/вывода или стандартного файла.

Пример 2. Создание и импорт пользовательского файла.

Создание пользовательского заголовка с именем «process.h».

Созданный основной файл, в который будет включен вышеприведенный «process.h».

Объяснение

Включение файла «process.h» в другую программу. Теперь, когда нам нужно включить stdio.h в качестве #include , чтобы аналогичным образом использовать функцию printf() , нам также нужно включить заголовочный файл process.h в виде #include «process.h» .

Двойные кавычки » « предписывают препроцессору просмотреть текущую папку или стандартную папку всех заголовочных файлов, если они не найдены в данной папке.

Если вместо » » используются угловые скобки, то необходимо сохранить ее в стандартную папку заголовочных файлов. При использовании » » необходимо убедиться, что созданный заголовочный файл сохранен в той же папке, в которой находится текущий C-файл, использующий этот заголовочный файл.

Библиотека windows h c описание

НАЗВАНИЕ
fcntl — управление файлами

ОПИСАНИЕ
Системный вызов fcntl выполняет управляющие операции над открытыми файлами. Аргумент fildes — это дескриптор открытого файла, полученный после выполнения системных вызовов creat, open, dup, fcntl и pipe.

  1. Его номер — есть минимальный из доступных номеров, не меньших arg.
  2. Он ассоциирован с тем же открытым файлом (или каналом), что и исходный дескриптор fildes.
  3. У него тот же указатель текущей позиции в файле, что и у исходного (то есть они разделяют общий указатель).
  4. Тот же режим доступа к файлу (чтение, запись или чтение/запись).
  5. Те же флаги статуса файла (то есть оба дескриптора разделяют общие флаги статуса).
  6. Ассоциированный с новым дескриптором флаг «закрыть при выполнении вызова exec» устанавливается в состояние «оставить открытым при выполнении вызова exec».

Блокировка на чтение предотвращает блокировку защищаемой области каким-либо процессом на запись. Для данного сегмента файла могут одновременно существовать несколько блокировок на чтение. Дескриптор, используемый для установления блокировки на чтение, должен быть ассоциирован с файлом, открытым с правом чтения.

Блокировка на запись предотвращает блокировку защищаемой области на чтение или запись. Одновременно может существовать не более одной блокировки на запись данного сегмента файла. Дескриптор, используемый для установления блокировки на запись, должен быть ассоциирован с файлом, открытым с правом записи.

Структура типа flock содержит поля, определяющие для сегмента файла тип блокировки (l_type), начальное смещение (l_whence), относительное смещение (l_start), размер (l_len), идентификатор системы РУФ (l_sysid), идентификатор процесса (l_pid). Идентификаторы процесса и системы используются только в случае операции F_GETLK для возврата характеристик блокировки. Начало и конец блокируемой области могут выходить за конец файла, но не за начало. Можно определить блокировку, всегда действующую до конца файла, если значение поля l_len равно 0. Если значения полей l_whence и l_start равны 0, то блокировка будет распространяться на весь файл. Изменение или снятие блокировки сегмента из середины большого защищенного сегмента приводит к появлению с обоих концов двух меньших защищенных сегментов. Блокировка сегмента, который уже блокирован вызывающим процессом, приводит к удалению старого и установке нового типа блокировки. Все блокировки, ассоциированные с файлом для данного процесса, удаляются, когда файл закрывается этим процессом или когда процесс терминируется, не закрывая файл. Блокировки не наследуются порождаемым процессом при выполнении системного вызова fork(2).

Читайте так же:
Виндовс не входит в безопасный режим

Если блокировка доступа к файлу разрешена [см. chmod(2)], то системные вызовы read и write для этого файла выполняются с учетом действующих блокировок.

Системный вызов fcntl завершается неудачей, если выполнено хотя бы одно из следующих условий: [EBADF] Аргумент fildes не является корректным дескриптором открытого файла. [EINVAL] При операции cmd, равной F_DUPFD, значение аргумента arg либо отрицательно, либо больше или равно максимально допустимому для одного пользователя количеству дескрипторов открытых файлов. [EINVAL] При операции cmd, равной F_GETLK, F_SETLK или F_SETLKW, значение аргумента arg или информация, на которую указывает arg, некорректны. [EACCES] При операции cmd, равной F_SETLK, делается попытка блокировать на чтение (F_RDLCK) сегмент файла, заблокированный другим процессом на запись, либо попытка блокировать на запись (F_WRLCK) сегмент файла, заблокированный другим процессом на чтение или запись. [ENOLCK] При операции cmd, равной F_SETLK или F_SETLKW, превышается максимально допустимое системой количество блокировок. [EDEADLK] При операции cmd, равной F_SETLKW, ожидание возможности установить блокировку приводит к тупику. [EFAULT] При операции cmd, равной F_SETLK, аргумент arg указывает за пределы отведенного процессу адресного пространства. [EINTR] Во время выполнения системного вызова перехвачен сигнал. [ENOLINK] Дескриптор fildes ассоциирован с файлом на удаленном компьютере, связи с которым в данный момент нет.

Библиотека windows h c описание

Группа: Сомодератор
Сообщений: 9668
Регистрация: 9.1.2008
Из: Тюмень
Пользователь №: 64

Репутация: 94

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Модератор
Сообщений: 3296
Регистрация: 9.10.2007
Из: Москва
Пользователь №: 4

Репутация: 40

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Сомодератор
Сообщений: 9668
Регистрация: 9.1.2008
Из: Тюмень
Пользователь №: 64

Репутация: 94

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Участник
Сообщений: 356
Регистрация: 9.1.2008
Пользователь №: 65

Репутация: 0

Под "Студией" я подразумевал компилятор под винду

Сообщение отредактировал flankerr — 12.5.2008, 14:06

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Сомодератор
Сообщений: 9668
Регистрация: 9.1.2008
Из: Тюмень
Пользователь №: 64

Репутация: 94

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Участник
Сообщений: 452
Регистрация: 6.12.2007
Из: Новосибирск
Пользователь №: 34

Репутация: 17

Первые два — от багланда, остальные от мингвы.
Ну и зоопарк у тебя.

Да, на *nix-ах этого файла нет.

Сообщение отредактировал Tonal — 12.5.2008, 14:14

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Сомодератор
Сообщений: 9668
Регистрация: 9.1.2008
Из: Тюмень
Пользователь №: 64

Репутация: 94

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Участник
Сообщений: 249
Регистрация: 9.10.2007
Из: Москва
Пользователь №: 3

Репутация: 6

С компилятором. Если компилятор претендует на поддержку winapi конечно.

Студия далеко не единственный C++ компилятор под винду

windows.h
Вообще его основное предназначение — это перечисления констант и функций под разные версии Windows, сами функции все равно импортируются из dll нужной версии.

Сообщение отредактировал Andrew Selivanov — 12.5.2008, 15:06

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Новичок
Сообщений: 31
Регистрация: 10.10.2007
Пользователь №: 8

Репутация: 0

опции профиля:

Просмотр профиля

Группа: Участник
Сообщений: 452
Регистрация: 6.12.2007
Из: Новосибирск
Пользователь №: 34

Репутация: 17

Ещё раз и медленно:
Platform SDK — это набор библиотек и заголовочников для работы с WinApi от Mocrosoft.
Его можно использовать только с компиляторами от Mocrosoft, либо с компиляторами, которые очень хорошо совместимы с MS-овскими по расширениям языка, прагмам, формату объектников и библиотек.
Я знаю только один такой — Intel C++.

С остальными компиляторами под винду идут свои пакеты для поддержки WinApi.
Т.е. если ты попробуешь использовать PSDK с баглондом или мингвой — ты обламаешся.
Но к ним идут свои соответствующие наборы.
Для мингвы — пакет w32 — скачивается отдельно. Обновляется отдельно.
Для багланда — включено в поставку. Не скачать отдельно не заменить на более новый нельзя.

Unix2019b/Системные вызовы

При программировании на C мы используем средства стандартной библиотеки языка, такие как тип FILE*, функции fopen(), fread(), fwrite(), fclose(). Эти функции кроссплатформенные и основываются внутри на более низкоуровневых функциях.

Читайте так же:
Видео как восстановить виндовс 8 на ноутбуке

Например, C-функция fread и fwrite:

На POSIX-совместимых системах (в том числе Linux) она сводится к функции

На Windows она сводится к функциям из WinAPI:

Если использовать только функции из библиотеки C, то можно писать переносимые программы, которые будут работать под разными ОС. Но если использовать API операционной системы, то можно получить больше возможностей и несколько лучшую производительность за счёт меньшего числа копирований данных в промежуточные буферы.

Системные вызовы

Как же устроены те самые POSIX-функции read() и write()?

Они реализуются посредством системных вызовов. Системный вызов (англ. system call) — обращение прикладной программы к ядру операционной системы для выполнения какой-либо операции.

AppInVat.png

Современные операционные системы предусматривают разделение полномочий, препятствующее обращению исполняемых программ к данным других программ и оборудованию. Ядро ОС исполняется в привилегированном режиме работы процессора. Для выполнения межпроцессной операции или операции, требующей доступа к оборудованию, программа обращается к ядру, которое, в зависимости от полномочий вызывающего процесса, исполняет либо отказывает в исполнении такого вызова.

Syscall.png

Обычное пользовательское приложение работает в непривилегированном режиме в своём виртуальном адресном пространстве. В обычном случае для выполнения вычислительной работы, для доступа к памяти и пр. не требуются системные вызовы. Например, функции библиотеки C, такие как strlen() и memcpy(), не имеют ничего общего с ядром и всегда выполняются целиком в приложении. Однако такие функции, как malloc() и printf(), могут делать внутри системные вызовы.

Набор системных вызовов разный в разных операционных системах. Итого в ядре Linux около 310 системных вызовов. С ними можно познакомиться в таблице. Для сравнения, в ОС Windows системных вызовов около 460.

GNU C Library

Когда мы компилируем обычную программу на C под Linux, она автоматически линкуется с библиотекой glibc.

Библиотека GNU C Library (часто используется название glibc) — это вариант реализации стандартной библиотеки С от проекта GNU. Является одним из основных компонентов операционной системы GNU/Linux.

Реализует как стандартные C-функции типа malloc(), strcpy(), fopen() (они являются частью стандарта языка программирования C и доступны на всех платформах), так и POSIX-функции типа getpid(), open() (эти функции не входят в стандарт C и, как правило, скажем, под Windows не реализованы).

Библиотека GNU C Library предоставляет программисту удобный интерфейс для работы с ОС в виде интерфейсных функций. Многие функции в libc являются тонкими обёртками над системными вызовами. Однако не каждая POSIX-функция является системным вызовом. Так и наоборот, не для каждого системного вызова есть соответствующая C-функция.

Размещение

Библиотека libc является одним файлом (динамическая so и статическая a), размещается в каталоге /usr/lib. Кроме того, в состав glibc (GNU libc) входят ещё несколько библиотек:

  • libm — математическая библиотека (там реализованы функции вида sin(), cos(). )
  • libpthread — POSIX Threads — библиотека для работы с потоками (мы обратимся к ней на следующих занятиях)

Всего функций в glibc много, мы рассмотрим только несколько.

Пример: fwrite

Вот шаги, которые включает в себя вызов C-функции fwrite:

Image002.png

  1. fwrite вместе с остальной частью стандартной библиотеки C реализован в glibc.
  2. fwrite вызывает более низкоуровневую функцию write.
  3. write загружает идентификатор системного вызова (который равен 1 для write) и аргументы в регистры процессора, а затем заставит процессор переключиться на уровень ядра. То, как это делается, зависит от архитектуры процессора, а иногда и от модели процессора. Например, процессоры x86 обычно вызывают прерывание 80, а процессоры x86-64 используют инструкцию процессора syscall.
  4. Процессор, который теперь работает в режиме ядра, передает идентификатор системного вызова в таблицу системных вызовов, извлекает указатель функции со смещением 1 и вызывает функцию. Эта функция, sys_write, является реализацией записи в файл.

Как работают системные вызовы

Из пользовательского пространства (ring 3) нельзя просто так вызвать функцию из ядра (ring 0), как обычную функцию. На шаге №3 в предыдущем примере используется тот или иной механизм перехода в режим ядра в зависимости от архитектуры компьютера. На компьютерах самой популярной архитектуры x86 для системный вызов делается тем или иным методом:

  • через программное прерывание,
  • через инструкцию sysenter,
  • через инструкцию syscall.

Программное прерывание

Прерывания (англ. interrupts) — это как бы сигнал процессору, что надо прервать выполнение (их поэтому и назвали прерываниями) текущего кода и срочно сделать то, что указано в обработчике.

Прерывание извещает процессор о наступлении высокоприоритетного события, требующего прерывания текущего кода, выполняемого процессором. Процессор отвечает приостановкой своей текущей активности, сохраняя свое состояние, и выполняя функцию, называемую обработчиком прерывания (или программой обработки прерывания), который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.

Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции.

Читайте так же:
Бесконечный поиск обновлений windows 7 x64

В процессорах архитектуры x86 для явного вызова синхронного прерывания имеется инструкция int, аргументом которой является номер прерывания (от 0 до 255). В защищённом и длинном режиме обычные программы не могут обслуживать прерывания, эта функция доступна только системному коду (операционной системе).

В ОС Linux номер прерывания 0x80 (в десятичной системе — 128) используется для выполнения системных вызовов. Обработчиком прерывания 0x80 является ядро Linux. Программа перед выполнением прерывания помещает в регистр eax номер системного вызова, который нужно выполнить. Когда управление переходит в ring 0, то ядро считывает этот номер и вызывает нужную функцию.

Метод этот широко применялся на 32-битных системах, на 64-битных он считается устаревшим и не применяется, но тоже работает, хотя с целым рядом ограничений (например, нельзя в качестве параметра передать 64-битный указатель).

  • Поместить номер системного вызова в eax.
  • Поместить аргументы в регистры ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp.
  • Вызвать инструкцию int 0x80.
  • Получить результат из eax.

Пример реализации mygetpid() (получение PID текущего процесса) на ассемблере (для системного вызова getpid используется номер 20):

Инструкция sysenter

Спустя некоторое время, ещё когда не было x86-64, в Intel поняли, что можно ускорить системные вызовы, если создать специальную инструкцию системного вызова, тем самым минуя некоторые издержки прерывания. Ускорение достигается за счёт того, что на аппаратном уровне при выполнении инструкции sysenter опускается множество проверок на валидность дескрипторов, а так же проверок, зависящих от уровня привилегий.

На сегодня эти инструкции (sysenter и sysexit) поддерживаются процессорами Intel в 32- и 64-битных режимах, процессорами AMD — только в 32-битном (на 64-битном приводит к исключению неизвестного опкода).

Поскольку 32-битные архитектуры теряют популярность, рассматривать не будем.

Инструкция syscall

Так как именно AMD разработали x86-64 архитектуру, которая и называется AMD64, то они решили создать свою собственную инструкцию для системных вызовов.

Эти инструкции (syscall и парная sysret) поддерживаются процессорами Intel только в 64-битном режиме, процессорами AMD — во всех режимах.

Системные вызовы при помощи этой инструкции делаются в современных версиях 64-битного Linux.

  • Номер системного вызова помещается в rax.
  • Аргументы записываются в rdi, rsi, rdx, r10, r8 и r9.
  • Затем вызывается syscall.
  • Когда управление возвращается, результат находится в rax.
  • Значения всех регистров, кроме r11, rcx и rax, системным вызовом не изменяются, дополнительно сохранять их не требуется.

Пример реализации mygetpid() (получение PID текущего процесса) на ассемблере (для системного вызова getpid по таблице используется номер 39):

Производительность

Системные вызовы требуют переключения контекста и перехода процессора в режим с высоким уровнем привилегий. Поэтому системный вызов выполняется относительно медленно по сравнению с вызовом обычной C-функции. Ещё хуже стало после обнаружения уязвимости Meltdown: патч KPTI (kernel page-table isolation), помогающий против уязвимости, приводит к сбросу TLB-кешей и дополнительному падению производительности.

Ориентировочные цифры, сколько занимает системный вызов на конкретном процессоре [1]:

  • int 80h — 500 нс,
  • sysenter — 340 нс,
  • syscall — 280 нс,
  • патч KPTI увеличивает эти числа на 180 нс,
  • вызов обычной C-функции — единицы нс.

Есть приёмы под названием vsyscall (уже устарел) и vDSO (virtual dynamic shared object) [2], которые позволяют в некоторых случаях избежать переключения контекста и ускорить выполнение. Помогает для системных вызовов, которым реально не нужны высокие привилегии, например gettimeofday. Удобно, если надо часто получать таймстемпы, например, для логов.

Мониторинг системных вызовов

Существует несколько инструментов, которые можно использовать для просмотра системных вызовов, которые выполняются программами. Самый известный из них, strace, доступен во многих операционных системах, и, вероятно, он уже установлен на вашем компьютере.

strace может запустить новый процесс или подключиться к уже запущенному. Вы можете многое узнать, подглядывая за системными вызовами, сделанными различными программами.

Использование в коде на C

Заголовочный файл unistd.h — основной, его наличие и содержимое обеспечивается стандартом POSIX.1. Видимо, «uni» пошло от UNIX.

Типы данных

Примеры типов данных POSIX (тем не менее, они не являются стандартными типами в языке C).

  • pid_t — идентификаторы процессов.
  • ssize_t — аналогичен size_t, но обязан быть знаковым и, главное, обязан уметь хранить минус единицу (это число используется как возвращаемое значение в случае ошибки во многих функциях).
  • off_t и off64_t — знаковый тип для хранения смещения в файле.

Получение справки

Сигнатуры функций и информацию об использовании можно почерпнуть из man-страниц:

Бонус: пишем «Hello, world!» на ассемблере

Теперь посмотрим, что, кроме служебных вызовов при загрузке бинарника, наша программа выполнила именно ожидаемые два системных вызова.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector