Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

Предположим, например, что область стека процесса начинается с виртуального адреса 128К и имеет размер 6 Кбайт и что ядру нужно расширить эту область на 1 Кбайт (1 страницу). Если размер процесса позволяет это делать и если виртуальные адреса в диапазоне от 134К до 135К-1 не принадлежат какой-либо области, ранее присоединенной к процессу, ядро увеличивает размер стека. При этом ядро расширяет таблицу страниц, выделяет новую страницу памяти и инициализирует новую запись таблицы. Этот случай проиллюстрирован с помощью Рисунка 6.22

6.5.5 Загрузка области

В системе, где поддерживается подкачка страниц по обращению, ядро может «отображать» файл в адресное пространство процесса во время выполнения функции exec, подготавливая последующее чтение по запросу отдельных физических страниц (см. главу 9). Если же подкачка страниц по обращению не поддерживается, ядру приходится копировать исполняемый файл в память, загружая области процесса по указанным в файле виртуальным адресам. Ядро может присоединить область к разным виртуальным адресам, по которым будет загружаться содержимое файла, создавая таким образом «разрыв» в таблице страниц (вспомним Рисунок 6.20). Эта возможность может пригодиться, например, когда требуется проявлять ошибку памяти (memory fault) в случае обращения пользовательских программ к нулевому адресу (если последнее запрещено). Переменные указатели в программах иногда задаются неверно (отсутствует проверка их значений на равенство 0) и в результате не могут использоваться в качестве указателей адресов. Если страницу с нулевым адресом соответствующим образом защитить, процессы, случайно обратившиеся к этому адресу, натолкнутся на ошибку и будут аварийно завершены, и это ускорит обнаружение подобных ошибок в программах.

алгоритм growreg /* изменение размера области */

входная информация:

 (1) указатель на точку входа в частной таблице областей процесса

 (2) величина, на которую нужно изменить размер области (может быть как положительной, так и отрицательной)

выходная информация: отсутствует

{

 if (размер области увеличивается) {

  проверить допустимость нового размера области;

  выделить вспомогательные таблицы (страниц);

  if (в системе не поддерживается замещение страниц по обращению) {

   выделить дополнительную память;

   проинициализировать при необходимости значения полей в дополнительных таблицах;

  }

 }

 else { /* размер области уменьшается */

  освободить физическую память;

  освободить вспомогательные таблицы;

 }

 провести в случае необходимости инициализацию других вспомогательных таблиц;

 переустановить значение поля размера в таблице процессов;

}

Рисунок 6.21. Алгоритм изменения размера области

При загрузке файла в область алгоритм loadreg (Рисунок 6.23) проверяет разрыв между виртуальным адресом, по которому область присоединяется к процессу, и виртуальным адресом, с которого располагаются данные области, и расширяет область в соответствии с требуемым объемом памяти. Затем область переводится в состояние «загрузки в память», при котором данные для области считываются из файла в память с помощью встроенной модификации алгоритма системной функции read.

Рисунок 6.22. Увеличение области стека на 1 Кбайт

Если ядро загружает область команд, которая может разделяться несколькими процессами, возможна ситуация, когда процесс попытается воспользоваться областью до того, как ее содержимое будет полностью загружено, так как процесс загрузки может приостановиться во время чтения файла. Подробно о том, как это происходит и почему при этом нельзя использовать блокировки, мы поговорим, когда будем вести речь о функции exec в следующей главе и в главе 9. Чтобы устранить эту проблему, ядро проверяет статус области и не разрешает к ней доступ до тех пор, пока загрузка области не будет закончена. По завершении реализации алгоритма loadreg ядро возобновляет выполнение всех процессов, ожидающих окончания загрузки области, и изменяет статус области («готова, загружена в память»).

Предположим, например, что ядру нужно загрузить текст размером 7K в область, присоединенную к процессу по виртуальному адресу 0, но при этом оставить промежуток размером 1 Кбайт от начала области (Рисунок 6.24). К этому времени ядро уже выделило запись в таблице областей и присоединило область по адресу 0 с помощью алгоритмов allocreg и attachreg. Теперь же ядро запускает алгоритм loadreg, в котором действия алгоритма growreg выполняются дважды — во-первых, при выделении в начале области промежутка в 1 Кбайт, и во-вторых, при выделении места для содержимого области — и алгоритм growreg назначает для области таблицу страниц. Затем ядро заносит в соответствующие поля пространства процесса установочные значения для чтения данных из файла: считываются 7 Кбайт, начиная с адреса, указанного в виде смещения внутри файла (параметр алгоритма), и записываются в виртуальное пространство процесса по адресу 1K.

алгоритм loadreg /* загрузка части файла в область */

входная информация:

 (1) указатель на точку входа в частную таблицу областей процесса

 (2) виртуальный адрес загрузки

 (3) указатель индекса файла

 (4) смещение в байтах до начала считываемой части файла

 (5) объем загружаемых данных в байтах

выходная информация: отсутствует

{

 увеличить размер области до требуемой величины (алгоритм growreg);

 записать статус области как «загружаемой в память»;

 снять блокировку с области;

установить в пространстве процесса значения параметров чтения из файла:

   виртуальный адрес, по которому будут размещены считываемые данные;

   смещение до начала считываемой части файла;

   объем данных, считываемых из файла, в байтах;

 загрузить файл в область (встроенная модификация алгоритма read);

 заблокировать область;

 записать статус области как «полностью загруженной в память»;

 возобновить выполнение всех процессов, ожидающих окончания загрузки области;

}

Рисунок 6.23. Алгоритм загрузки данных области из файла

Рисунок 6.24. Загрузка области команд (текста)

алгоритм freereg /* освобождение выделенной области */

входная информация: указатель на (заблокированную) область

выходная информация: отсутствует

{

 if (счетчик ссылок на область имеет ненулевое значение) {

  /* область все еще используется одним из процессов */

  снять блокировку с области;

  if (область ассоциирована с индексом) снять блокировку с индекса;

  return;

 }

 if (область ассоциирована с индексом) освободить индекс (алгоритм iput);

 освободить связанную с областью физическую память;

 освободить связанные с областью вспомогательные таблицы;

 очистить поля области;

 включить область в список свободных областей;

 снять блокировку с области;

}

Рисунок 6.25. Алгоритм освобождения области

6.5.6 Освобождение области

Если область не присоединена уже ни к какому процессу, она может быть освобождена ядром и возвращена в список свободных областей (Рисунок 6.25). Если область связана с индексом, ядро освобождает и индекс с помощью алгоритма iput, учитывая значение счетчика ссылок на индекс, установленное в алгоритме allocreg. Ядро освобождает все связанные с областью физические ресурсы, такие как таблицы страниц и собственно страницы физической памяти. Предположим, например, что ядру нужно освободить область стека, описанную на Рисунке 6.22. Если счетчик ссылок на область имеет нулевое значение, ядро освободит 7 страниц физической памяти вместе с таблицей страниц.

алгоритм detachreg /* отсоединить область от процесса */

входная информация: указатель на точку входа в частной таблице областей процесса

выходная информация: отсутствует

{

 обратиться к вспомогательным таблицам процесса, имеющим отношение к распределению памяти, освободить те из них, которые связаны с областью;