Арнольд Роббинс - Linux программирование в примерах

 • библиотека анализа аргументов Plan 9 From Bell Labs arg(2)[31],

 • Argp[32],

 • Argv[33],

 • Autoopts[34],

 • GNU Gengetopt[35],

 • Opt[36],

 • Popt[37]. См. также справочную страницу popt(3) системы GNU/Linux.

7. Дополнительный балл, почему компилятор С не может полностью игнорировать ключевое слово register? Подсказка: какие действия невозможно совершать с регистровой переменной?

Глава 3

Управление памятью на уровне пользователя

Без памяти для хранения данных программа не может выполнить никакую работу (Или, скорее, невозможно выполнить никакую полезную работу.) Реальные программы не могут позволить себе полагаться на буферы и массивы структур данных фиксированного размера. Они должны быть способны обрабатывать вводимые данные различных размеров, от незначительных до больших. Это, в свою очередь, ведет к использованию динамически выделяемой памяти — памяти, выделяемой в ходе исполнения, а не при компиляции. Вот как вводится в действие принцип GNU «никаких произвольных ограничений».

Поскольку динамически выделяемая память является основным строительным блоком для реальных программ, мы рассмотрим этот вопрос в начале, до рассмотрения всего остального. Наше обсуждение фокусируется на рассмотрении процесса и его памяти исключительно на уровне пользователя; оно не имеет ничего общего с архитектурой процессора.

3.1. Адресное пространство Linux/Unix

В качестве рабочего определения мы приняли, что процесс является запушенной программой. Это означает, что операционная система загрузила исполняемый файл для этой программы в память, сделала доступными аргументы командной строки и переменные окружения и запустила ее. Процесс имеет пять выделенных для него концептуально различных областей памяти:

Код

Часто называемая сегментом текста область, в которой находятся исполняемые инструкции. Linux и Unix организуют вещи таким образом, что несколько запушенных экземпляров одной программы по возможности разделяют свой код; в любое время в памяти находится лишь одна копия инструкций одной и той же программы (Это прозрачно для работающих программ.) Часть исполняемого файла, содержащая сегмент текста, называется секцией текста.

Инициализированные данные

Статически выделенные и глобальные данные, которые инициализированы ненулевыми значениями, находятся в сегменте данных. У каждого процесса с одной и той же запущенной программой свой собственный сегмент данных. Часть исполняемого файла, содержащая сегмент данных, является секцией данных.

Инициализированные нулями данные[38]

Глобальные и статически выделенные данные, которые по умолчанию инициализированы нулями, хранятся в области процесса, который называют областью BSS[39]. У каждого процесса, в котором запущена одна и та же программа, своя область BSS. При запуске данные BSS помещаются в сегмент данных. В исполняемом файле они хранятся в секции BSS.

Формат исполняемого файла Linux/Unix таков, что пространство исполняемого файла на диске занимают лишь переменные, инициализированные ненулевыми значениями. Поэтому большой массив, объявленный как 'static char somebuf[2048];', который автоматически заполняется нулями, не занимает 2 Кб пространства на диске. (Некоторые компиляторы имеют опции, позволяющие вам помещать инициализированные нулями данные в сегмент данных.)

Куча (heap)

Куча является местом, откуда выделяется динамическая память (получаемая с помощью функции malloc() и подобными ей). Когда из кучи выделяется память, адресное пространство процесса растет, что вы можете заметить, отслеживая запущенный процесс с помощью команды ps.

Хотя память можно вернуть обратно системе и сократить адресное пространство процесса, этого почти никогда не происходит. (Мы различаем освобождение больше не использующейся динамической памяти и сокращение адресного пространства; подробнее это обсуждается далее в этой главе.)

Для кучи характерен «рост вверх». Это означает, что последовательные элементы, добавляемые к куче, добавляются по адресам, численно превосходящим предыдущие. Куча обычно начинается сразу после области BSS сегмента данных.

Стек

Сегмент стека — это область, в которой выделяются локальные переменные. Локальными являются все переменные, объявленные внутри левой открывающей фигурной скобки тела функции (или другой левой фигурной скобки) и не имеющие ключевого слова static.

В большинстве архитектур параметры функций также помещаются в стек наряду с «невидимой» учетной информацией, генерируемой компилятором, такой, как возвращаемое функцией значение и адрес возврата для перехода из функции к месту, откуда произошел вызов. (В некоторых архитектурах для этого используются регистры.) Именно использование стека для параметров функций и возвращаемых ими значений делает удобным написание рекурсивных функций (тех, которые вызывают сами себя) Переменные, хранящиеся в стеке, «исчезают», когда функция, их содержащая, возвращается, пространство стека используется повторно для последующих вызовов функций. В большинстве современных архитектур стек «растет вниз», это означает, что элементы, находящиеся глубже в цепи вызова, находятся по численно меньшим адресам. В работающей программе области инициализированных данных, BSS и кучи обычно размещаются в единой протяженной области: сегменте данных. Сегменты стека и кода отделены от сегмента данных и друг от друга. Это показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Адресное пространство Linux/Unix

Хотя перекрывание стека и кучи теоретически возможно, операционная система предотвращает этот случай, и любая программа, пытающаяся это сделать, напрашивается на неприятности. Это особенно верно для современных систем, в которых адресные пространства большие и интервал между верхушкой стека и концом кучи значителен. Различные области памяти могут иметь различную установленную на память аппаратную защиту. Например, сегмент текста может быть помечен «только для исполнения», тогда как у сегментов данных и стека разрешение на исполнение может отсутствовать. Такая практика может предотвратить различные виды атак на безопасность. Подробности, конечно, специфичны для оборудования и операционной системы, и они могут со временем меняться. Стоит заметить, что стандартные как С, так и C++ позволяют размещать элементы с атрибутом const в памяти только для чтения. Сводка взаимоотношений различных сегментов приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Сегменты исполняемой программы и их размещение

Программа size распечатывает размеры в байтах каждой из секций text, data и BSS вместе с общим размером в десятичном и шестнадцатеричном виде. (Программа ch03-memaddr.с показана далее в этой главе; см. раздел 3.2.5 «Исследование адресного пространства».)

$ cc -o ch03-memaddr.с -о ch03-memaddr /* Компилировать программу */

$ ls -l ch03-memaddr /* Показать общий размер */

-rwxr-xr-x 1 arnold devel 12320 Nov 24 16:45 ch03-memaddr

$ size ch03-memaddr /* Показать размеры компонентов */

text data bss dec  hex filename

1458 276  8   1742 6ce ch03-memaddr

$ strip ch03-memaddr /* Удалить символы */

$ ls -l ch03-memaddr /* Снова показать общий размер */

-rwxr-xr-x 1 arnold devel 3480 Nov 24 16:45 ch03-memaddr

$ size ch03-memaddr /* Размеры компонентов не изменились */

text data bss dec  hex filename

1458 276  8   1742 6ce ch03-memaddr

Общий размер загруженного в память из файла в 12 320 байтов всего лишь 1742 байта. Большую часть этого места занимают символы (symbols), список имен переменных и функций программы. (Символы не загружаются в память при запуске программы.) Программа strip удаляет символы из объектного файла. Для большой программы это может сохранить значительное дисковое пространство ценой невозможности отладки дампа ядра[40], если таковой появится (На современных системах об этом не стоит беспокоиться, не используйте strip.) Даже после удаления символов файл все еще больше, чем загруженный в память образ, поскольку формат объектного файла содержат дополнительные данные о программе, такие, как использованные разделяемые библиотеки, если они есть.[41]