Linux C/C++ 中系统调用与库函数调用的区别

不管你是 Linux 后端开发、C/C++ 编程，还是运维面试，系统调用和库函数都是大家绕不开的核心知识点。小编发现很多新手（也包括工作多年的）写代码时随手调用的函数（比如 printf、open、fopen），大部分小伙伴们压根就不关心这些函数哪些是系统调用、哪些是库函数，甚至误以为二者是同一概念，结果面试被问倒、排查问题找不到方向。

确实，从咱们普通人的角度来看，系统调用和库函数似乎没有什么区别，它们都是以 C 函数的形式出现，并且两者都为应用程序提供服务。但从实现者角度来看，它们之间是有根本的区别。那么，它们之间到底有哪些不同呢？在说明之前，先简单了解以下系统调用和库函数。

什么是系统调用？

系统调用是操作系统为应用程序提供的一组特殊接口，是用户空间与内核空间之间的关键桥梁。在计算机系统中，内核负责管理硬件资源、调度任务和维护系统安全等核心功能，运行在特权级较高的内核态；而应用程序则运行在用户态，对硬件和系统资源的访问受到严格限制。系统调用充当“翻译官”，允许应用程序通过它向内核发出请求，执行特定操作，并将处理结果返回给应用程序。

咱们举个经常用的典型场景：当应用程序需要读取文件数据时，会直接调用 read 这一系统调用。应用程序会将文件描述符、数据接收缓冲区、预期读取的字节数等关键参数传入 read，随后通过系统调用触发 CPU 特权级切换，从用户态进入内核态。内核会依据传入的参数定位目标文件，从磁盘介质中读取对应数据，并将数据拷贝至应用程序指定的用户态缓冲区，最终把实际读取的字节数作为返回值，传递回用户态的应用程序。

常见系统调用很多，例如：open, close, read, write, ioctl，fork，clone，exit，getpid，access，chdir，chmod，stat，brk，mmap 等，需要包含 unistd.h 等头文件。

那系统调用的具体工作流程什么呢？

答：应用程序发起调用时，会触发内核陷入机制。以 x86 架构为例，通过 int 0x80 这类陷入指令，CPU 从权限受限的用户态，切换至拥有最高权限的内核态。内核会根据系统调用号，在系统调用表中找到对应的内核函数并执行，比如读取文件时就会调用磁盘 IO 相关的内核逻辑。操作完成后，内核将结果返回应用程序，CPU 再切回用户态，程序继续向下执行。

什么是库函数？

库函数用于提供用户态服务。它可能调用封装了一个或几个不同的系统调用（printf 调用 write），也可能直接提供用户态服务（atoi 不调用任何系统调用）。

小编把库函数理解为是预编译的程序代码，存储在共享库或静态库中，用于执行常规编程任务。

常见库函数有：printf，scanf，fopen，fclose，fgetc，fgets，fprintf，fsacnf，fputc，calloc，free，malloc，realloc，strcat，strchr，strcmp，strcpy，strlen，strstr 等，需要包含 stdio.h，string.h，alloc.h，stdlib.h 等头文件。

它俩之间区别：

• 系统调用通常不可替换，而库函数通常可替换
• 系统调用通常提供最小接口，而库函数通常提供较复杂功能
• 系统调用运行在内核空间，而库函数运行在用户空间

因为系统调用属于内核，和库函数不属于内核。因此，如果当用户态进程调用一个系统调用时，CPU 需要将其切换到内核态，并执行一个内核函数。

• 内核调用都返回一个整数值，而库函数并非一定如此

在内核中，整数或 0 表示系统调用成功结束，而负数表示一个出错条件。而出错时，内核不会将其设置在 errno，而是由库函数从系统调用返回后对其进行设置或使用。

• POSIX 标准针对库函数而不是系统调用

判断一个系统是否符合 POSIX 标准，关键在于它是否提供了一组适当的应用程序接口，而与这些函数的具体实现无关。因此，从移植性角度来看，使用库函数的移植性优于直接使用系统调用。

• 系统调用运行时间属于系统时间，库函数运行时间属于用户时间
• 调用系统调用开销相对库函数来说更大

许多库函数会调用系统调用，但直接调用系统调用的开销较大，主要是因为上下文切换的代价。在用户态和内核态之间切换时，需要保存和恢复 CPU 状态，这消耗时间。库函数通过使用双缓冲技术和缓冲机制来降低这种开销，以文件读写为例，调用库函数可以显著减少系统调用次数，从而提高性能。直接调用系统调用时，每次都需进行上下文切换，导致性能损失。因此，库函数的开销通常小于直接调用系统调用，同时它们也能对系统调用进行优化，提升整体效率。

弄个表格，方便记忆和对比：

什么时候使用系统调用？

• 需要直接控制硬件或内核资源（如设备驱动开发）。
• 追求极致性能（但需权衡系统调用开销）。
• 操作系统内核开发。

什么时候使用库函数？

• 需要高级功能（如字符串处理、数学运算）。
• 追求开发效率和可移植性。
• 避免重复造轮子（如使用 pthread 而非手动实现线程）。

总结

1. 系统调用是内核的 “底层大门”，是用户态访问内核的唯一通道，开销大、权限高、不可移植；
2. 库函数是用户态的 “便捷工具”，基于系统调用封装，部分纯逻辑函数与内核无关，开销小、易用、可移植；
3. 日常开发优先使用库函数，兼顾开发效率和性能；底层开发、性能极致优化场景，可直接调用系统调用。

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