1、系统调用和用户编程接口
1、系统调用
操作系统负责管理和分配所有的计算机资源。为了更好地服务于应用程序，操作系统提供了一组特殊接口———系统调用。用户程序可以通过这组特殊的接口来获取操作系统内核提供的各种功能，如分配内存、创建进程、实现进程之间的通信等。
系统调用（system call） 其实是 Linux 内核提供给应用层的应用编程接口（API） ， 是 Linux 应用层进入内核的入口。不止 Linux 系统，所有的操作系统都会向应用层提供系统调用，应用程序通过系统调用来使用操作系统提供的各种服务。
通过系统调用， Linux 应用程序可以请求内核以自己的名义执行某些事情，譬如打开磁盘中的文件、读写文件、关闭文件以及控制其它硬件外设。
通过系统调用 API，应用层可以实现与内核的交互，其关系可通过下图简单描述：
内核提供了一系列的服务、资源、支持一系列功能，应用程序通过调用系统调用 API 函数来使用内核提供的服务、资源以及各种各样的功能， 如果大家接触过其它操作系统编程，想必对此并不陌生，譬如Windows 应用编程，操作系统内核一般都会向应用程序提供应用编程接口 API，否则我们将我无法使用操作系统。
为什么用户程序不能直接访问系统内核提供的服务呢？答案是不安全。
单片机开发中，由于不需要操作系统，只需要知道寄存器的地址，代码通过指针直接操作硬件，所以开发人员可以编写代码直接访问硬件。硬件>>>>>>代码直接在内存中运行操作硬件。
而在嵌入式系统中通常都要运行操作系统，程序访问资源的方式就发生了改变。操作系统基本上都支持多任务，即同时可以运行多个程序。如果允许程序直接访问系统资源，肯定会带来很多问题。因此，所有软硬件资源的管理和分配都由操作系统负责。程序要获取资源（如分配内存、读写串口）必须通过操作系统来完成，即用户程序向操作系统发出服务请求，操作系统收到请求后执行相关的代码来处理。硬件>>>>>>>操作系统>>>>>>>代码
还有更重要的一点是，在Linux中，为了更好地保护内核空间，将程序的运行空间分为用户空间和内核空间（也就是常称的用户态和内核态），它们分别运行在不同的级别上，逻辑上是相互分离的。因此，用户进程通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用用户空间的函数。但是，在有些情况下，用户空间的进程需要获得内核的系统服务（调用内核空间程序），这时操作系统就必须利用系统提供用户的特殊接口———”系统调用”规定用户进程进入内核空间的具体位置。在进行系统调用时，程序运行空间需要从用户空间进入内核空间，处理完成后再返回用户空间。
用户程序向操作系统提出请求的接口就是系统调用。所有的操作系统都会提供系统调用接口，只不过不同的操作系统提供的系统调用接口各不相同。Linux系统调用接口非常精简（只有250个左右），它继承了UNIX系统调用中最基本和最有用的部分。这些系统调用按照功能大致可分为进程控制、进程间通信、文件系统控制、存储管理、网络管理、套接字控制、用户管理等。
应用编程与裸机编程、驱动编程有什么区别？
在学习应用编程之前，相信大家都有过软件开发经验，譬如 51、 STM32 等单片机软件开发、 以及嵌入式 Linux 硬件平台下的驱动开发等， 51、 STM32 这类单片机的软件开发通常是裸机程序开发，并不会涉及到操作系统的概念，那应用编程与裸机编程以及驱动开发有什么区别呢？
就拿嵌入式 Linux 硬件平台下的软件开发来说，我们大可将编程分为三种，分别为裸机编程、 Linux 驱动编程以及 Linux 应用编程。首先对于裸机编程这个概念来说很好理解，一般把没有操作系统支持的编程环境称为裸机编程环境，譬如单片机上的编程开发，编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统支持； 狭义上 Linux 驱动编程指的是基于内核驱动框架开发驱动程序， 驱动开发工程师通过调用 Linux 内核提供的接口完成设备驱动的注册， 驱动程序负责底层硬件操作相关逻辑， 如果学习过 Linux 驱动开发的读者，想必对此并不陌生； 而 Linux 应用编程（系统编程）则指的是基于 Linux 操作系统的应用编程，在应用程序中通过调用系统调用 API 完成应用程序的功能和逻辑， 应用程序运行于操作系统之上。通常在操作系统下有两种不同的状态：内核态和用户态，应用程序运行在用户态、而内核则运行在内核态。
2、用户编程接口（API）---C库
前面提到利用系统调用接口程序可以访问各种资源，但并不直接与程序员进行交互，它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求以获取内核服务的接口。但在实际开发中程序并不直接使用系统调用接口，而是使用用户程序编程接口（API）。例如，创建进程的API函数fork()函数对应于内核空间的sys_fork()系统调用，但并不是所有的函数都对应一个系统调用。有时，一个API函数会需要几个系统调用来共同完成函数的功能，甚至还有一些API函数不需要调用相应的系统调用（因此它所完成的不是内核提供的服务）。
前面给大家介绍了系统调用，系统调用是内核直接向应用层提供的应用编程接口， 譬如 open、 write、read、 close 等。编写应用程序除了使用系统调用之外，我们还可以使用库函数。
库函数也就是 C 语言库函数， C 语言库是应用层使用的一套函数库， 在 Linux 下，通常以动态（.so）库文件的形式提供，存放在根文件系统/lib 目录下， C 语言库函数构建于系统调用之上，也就是说库函数其实是由系统调用封装而来的，当然也不能完全这么说， 原因在于有些库函数并不调用任何系统调用，譬如一些字符串处理函数 strlen()、 strcat()、 memcpy()、 memset()、 strchr()等等； 而有些库函数则会使用系统调用来帮它完成实际的操作，譬如库函数 fopen 内部调用了系统调用 open()来帮它打开文件、库函数 fread()就利用了系统调用 read()来完成读文件操作、 fwrite()就利用了系统调用 write()来完成写文件操作。
库函数可以理解为是对系统调用的一层封装。系统调用作为内核提供给用户程序的接口，它的执行效率是比较高效而精简的，但有时我们需要对获取的信息进行更复杂的处理，或更人性化的需要，我们把这些处理过程封装成一个函数再提供给程序员，更方便于程序猿编码。库函数有可能包含有一个系统调用，有可能有好几个系统调用，当然也有可能没有系统调用，比如有些操作不需要涉及内核的功能。可以参考下图来理解库函数与系统调用的关系。
Linux 系统内核提供了一系列的系统调用供应用层使用， 我们直接使用系统调用就可以了呀，那为何还要设计出库函数呢？事实上， 有些系统调用使用起来并不是很方便， 于是就出现了 C 语言库，这些 C 语言库函数的设计是为了提供比底层系统调用更为方便、更为好用、 且更具有可移植性的调用接口。
来看一看它们之间的区别：
（1）库函数是属于应用层，而系统调用是内核提供给应用层的编程接口，属于系统内核的一部分；
（2）库函数运行在用户空间，调用系统调用会由用户空间（用户态）陷入到内核空间（内核态）；
（3）库函数通常是有缓存的，而系统调用是无缓存的，所以在性能、效率上，库函数通常要优于系统调用；
（4）可移植性：库函数相比于系统调用具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于 C 语言库函数来说，由于很多操作系统都实现了 C 语言库， C 语言库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以库函数在不同操作系统之间相比于系统调用具有更好的可移植性。
以上便上它们之间一个大致的区别， 从实现者的角度来看，系统调用与库函数之间有根本的区别，但从用户使用角度来看，其区别并不重要，它们都是 C 语言函数。 在实际应用编程中，库函数和系统调用都会使用到，所以对于我们来说，直接把它们当做是 C 函数即可，知道你自己调用的函数是系统调用还是库函数即可，不用太过于区分它们之间的差别。
所以应用编程简单点来说就是：开发 Linux 应用程序，通过调用内核提供的系统调用或使用 C 库函数来开发具有相应功能的应用程序。
为什么不直接使用系统调用接口了。原因如下：
（1）系统调用接口功能非常简单，无法满足程序的要求
（2）不同操作系统的系统调用接口不兼容，程序移植时工作量大。
用户程序编程接口通俗的解释就是各种库（最重要的就是C库）中的函数。为了提高开发效率，C库中实现了很多函数。这些函数实现了常用的功能，供程序员调用。这样一来，程序员就不需要自己编写这些代码。直接调用库函数就可以实现基本功能，提高了代码的复用率。使用用户程序编程接口好友一个好处就是：程序具有良好的可移植性。几乎所有的操作系统上都实现了C库，所以程序通常只需要重新编译一下就可以在其它操作系统下运行。
在Linux中，用户程序编程接口（API）遵循了UNIX中最流行的应用编程界面标准———POSIX标准。POSIX标准是由IEEE和ISO/IEC共同开发的标准系统，该标准基于当时的UNIX实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是API），用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。这些系统调用编程接口主要是通过C库（libc）实现的。
3、系统命令
系统命令相对于API更高了一层，它实际上是一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能，它们之间的关系如下图：
4、标准C语言函数库
在 Linux 系 统 下 ， 使 用 的 C 语 言 库 为 GNU C 语 言 函 数 库 （ 也 叫 作 glibc ， 其 网 址 为http://www.gnu.org/software/libc/），作为 Linux 下的标准 C 语言函数库。进入到 http://www.gnu.org/software/libc/网址，如下所示：
点击上面的 Sources 选项可以查看它的源码实现： 
glibc 源码的获取方式很简单，直接直接从 git 仓库下载，也可以通过 ftp 下载，如果大家有兴趣、或者想要了解某一个库函数它的具体实现，那么就可以获取到它源码来进行分析。
浙公网安备 33010602011771号