系统调用返回值如何传回用户进程？

Question

假设我们有一个单核 CPU 正在运行

int filedesc = open("foo.txt", O_RDONLY);

filedesc是用户进程中的一个变量，当open开始执行时cpu获取上下文切换并运行内核进程，open的返回值如何传递给filedesc？

另外，相比

FILE *file = fopen("foo.txt", "r");

使用fopen 读取/文件由于缓冲而快得多，但在它调用open 的引擎盖下，我想知道在这种情况下open 是否仍然会一个接一个地检索一个字节？如果是这样，每个字节都会有上下文切换开销，因为fopen 缓冲区在用户进程中，系统调用返回值在我的第一个问题中来回传递场景，它为什么运行得更快？提前致谢！

Answer 1

“fopen 由于缓冲而快得多 [然后 fopen]，但在后台它调用 open...”
一般来说，根据定义，如果function1() 实现包括调用function2()，则直接调用function2()，并且如果使用与function1() 调用时相同的选项集，将始终具有更短的执行时间。如果您看到fopen() 和open() 的相反情况，那么它表明您直接调用open() 时使用的选项集必须不同于在fopen() 中调用它时使用的选项集。但是内部do_sys_open() 的实现具有相同数量的参数open()，因此无法实现速度差异。你应该质疑你的基准测试技术。

关于返回值如何返回给用户...
Linux 系统调用是使用SYSCALL_DEFINEn 的变体定义的。以下open() 的example implementation 说明了这一点，并表明在函数do_sys_open() 的封装中，其中一个参数包括const char __user * 在macro 和函数中，允许它跟踪来自哪个用户呼叫已启动：

long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)
{
    struct open_flags op;
    int fd = build_open_flags(flags, mode, &op);
    struct filename *tmp;

    if (fd)
        return fd;

    tmp = getname(filename);
    if (IS_ERR(tmp))
        return PTR_ERR(tmp);

    fd = get_unused_fd_flags(flags);
    if (fd >= 0) {
        struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, &op);
        if (IS_ERR(f)) {
            put_unused_fd(fd);
            fd = PTR_ERR(f);
        } else {
            fsnotify_open(f);
            fd_install(fd, f);
        }
    }
    putname(tmp);
    return fd;
}

SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, umode_t, mode)
{
    if (force_o_largefile())
        flags |= O_LARGEFILE;

    return do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);
}

Answer 2

我猜你在这里有点困惑。当您说fopen() 更快时，您的实际意思是fread() 和fwrite() 比read() 和write() 更快。这可能适用于许多实现，因为 C 标准库在用户空间中使用缓冲，而大多数 POSIX 实现不使用用户空间中的缓冲。但是，它们可能会在内核空间中使用缓冲。

假设您正在复制一个 1kb 的文件。如果一次一个字节地执行此操作，使用read() 从文件中获取一个字节并使用write() 将其复制到另一个字节中，您最终会调用相应的系统调用 1024 次。每次，都会有一个从用户空间到内核空间的上下文切换。另一方面，如果你使用的 C 库实现在内部使用了一个 512 字节的缓冲区，那么它实际上只转换为两个系统调用，即使你调用了 fread 和 fwrite 数千次。因此，它似乎比直接使用 read/write() 快得多。

但是，除了一次复制一个字节，您还可以在应用程序中使用足够大的缓冲区，尽可能少地调用read/write，以直接通过系统调用获得相同或更好的性能。换句话说，并不是标准库 API 比系统调用快（这是不可能的，因为库在内部调用系统调用），只是使用更大的缓冲区调用read/write 系统调用更有效，因为上下文切换开销和标准库已经考虑到这一点。