FreeBSD

系统调用

1. 进程管理（Process Management）：内核需要创造和管理执行单元。
2. 文件操作（File Operations）：内核需要提供持久化存储和数据交互的抽象。“一切皆文件”哲学使得设备、管道、套接字等都能纳入此范畴。
3. 进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）：内核需要提供隔离的进程间协作的机制。
4. 网络通信（Networking）：内核需要提供跨主机的通信能力，这通常被抽象为一种特殊的文件（套接字）。
5. 内存管理（Memory Management）：内核需要为进程分配和管理其私有的地址空间。
6. 设备控制（Device Control）：内核需要作为用户程序与硬件设备之间的仲裁者和抽象层。
7. 系统状态与安全（System Status & Security）：内核需要提供自我观察和控制的接口，并实施权限管控。

核心库 API

1. C 标准库：可移植性。
2. FreeBSD 系统库：与 FreeBSD 内核和系统特性紧密集成，功能强大但牺牲了部分可移植性。

C 标准库

这是符合 ISO C 标准（如 C99, C11 等）的库，提供了可移植的、与操作系统无关的核心功能。只要代码是符合标准的，理论上可以在任何支持 C 语言的平台上编译运行。

主要 API 大类：

• 输入/输出： 提供文件和各种流（如 stdin, stdout, stderr）的操作。核心头文件是 <stdio.h>，包含 fopen, fread, fwrite, printf, scanf 等函数。
• 字符串操作： 提供字符串处理功能，如拷贝、连接、比较、查找、分割等。核心头文件是 <string.h>，包含 strcpy, strlen, strcmp, strstr 等函数。
• 字符处理： 提供对单个字符的分类和转换，如判断是否为数字、字母，或进行大小写转换。核心头文件是 <ctype.h>，包含 isalpha, isdigit, toupper 等函数。
• 数学函数： 提供常见的数学计算，如三角函数、指数、对数、平方根、取整等。核心头文件是 <math.h>，包含 sin, cos, exp, log, sqrt 等函数。
• 内存管理： 提供动态内存的分配与释放。核心头文件是 <stdlib.h>，包含 malloc, calloc, realloc, free 等函数。
• 日期与时间： 提供获取和操作日历时间、处理器时间的功能。核心头文件是 <time.h>，包含 time, localtime, strftime, clock 等函数。
• 实用函数： 提供一些常用功能，如随机数生成、与环境的交互、进程控制等。核心头文件是 <stdlib.h>，包含 rand, srand, getenv, system, exit 等函数。

FreeBSD 系统库

这部分是 FreeBSD 操作系统特有的接口，提供了对内核服务和底层硬件的直接访问。它们是实现系统编程（进程、信号、网络、设备等）的关键。

主要 API 大类：

• 系统调用封装： 这是系统库最核心的部分，为内核的系统调用提供了 C 函数形式的包装。它们通常失败时返回 -1 并设置全局变量 errno。

  • 文件与 I/O： 使用文件描述符进行低级 I/O 操作。核心函数如 open, read, write, close, ioctl。这比 C 标准库的 stdio 更底层、更灵活。
  • 进程控制： 管理进程的创建、执行和终止。核心函数如 fork, execve, wait, _exit。
  • 进程间通信： 提供多种 IPC 机制，如管道、FIFO、System V 的共享内存、信号量和消息队列，以及 POSIX 的同类机制。
  • 信号： 用于处理异步事件。核心函数如 signal, sigaction, kill。
  • 内存管理： 提供更底层的内存操作，如 mmap（内存映射文件或设备）、brk/sbrk（调整数据段大小）。

• BSD 套接字： 用于网络通信的经典 API，是 TCP/IP 协议栈的用户态接口。

  • 核心函数包括 socket, bind, listen, accept, connect, send, recv。
  • 支持多种协议族，如 AF_INET (IPv4), AF_INET6 (IPv6), AF_LOCAL (本地进程间通信)。

• 扩展属性与 ACL： 管理文件的扩展元数据（扩展属性）和复杂的访问控制列表（ACL），提供了比传统 Unix 权限更精细的控制。

• 系统信息与控制：

  • sysctl 接口： 用于在运行时查询和设置系统内核参数（如网络配置、硬件信息）。
  • kvm 接口： 用于访问内核虚拟内存，通常用于读取内核数据结构，是开发 ps, vmstat 等工具的基础。

• 库函数： 在系统调用之上构建的、符合特定标准（如 POSIX）的便利函数。

  • 正则表达式： 提供强大的模式匹配功能。
  • 目录操作： 如 opendir, readdir。
  • 终端 I/O： 控制终端设置的 termios 系列函数。

总结对比

特性	C 标准库	FreeBSD 系统库
核心目标	可移植性、标准一致性	访问操作系统特有功能、性能与控制力
功能层级	相对高层，提供缓冲、格式化等便利	相对底层，直接操作内核提供的原语
依赖关系	不依赖特定操作系统	紧密依赖于 FreeBSD 内核的 ABI 和特性
典型应用	通用算法、数据处理、可移植应用逻辑	系统工具、守护进程、网络服务器、驱动程序

在实际编程中，一个应用程序通常会混合使用这两类 API。例如，一个网络服务器可能使用系统库的 fork 和套接字 API 来处理并发连接，同时使用 C 标准库的 stdio 来记录日志文件。