Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

Исполняя алгоритм xalloc, ядро просматривает список активных областей в поисках области с командами файла, индекс которого совпадает с индексом исполняемого файла. В случае ее отсутствия ядро выделяет новую область (алгоритм allocreg), присоединяет ее к процессу (алгоритм attachreg), загружает ее в память (алгоритм loadreg) и защищает от записи (read-only). Последний шаг предполагает, что при попытке процесса записать что-либо в область команд будет получен отказ, вызванный системой защиты памяти. В случае обнаружения области с командами файла в списке активных областей осуществляется проверка ее наличия в памяти (она может быть либо загружена в память, либо выгружена из памяти) и присоединение ее к процессу. В завершение выполнения алгоритма xalloc ядро снимает с области блокировку, а позднее, следуя алгоритму detachreg при выполнении функций exit или exec, уменьшает значение счетчика областей. В традиционных реализациях системы поддерживается таблица команд, к которой ядро обращается в случаях, подобных описанному. Таким образом, совокупность областей команд можно рассматривать как новую версию этой таблицы.

Напомним, что если область при выполнении алгоритма allocreg (Раздел 6.5.2) выделяется впервые, ядро увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, ассоциированный с областью, при этом значение счетчика ссылок нами уже было увеличено в самом начале выполнения функции exec (алгоритм namei). Поскольку ядро уменьшает значение счетчика только один раз в завершение выполнения функции exec (по алгоритму iput), значение счетчика ссылок на индекс файла, ассоциированного с разделяемой областью команд и исполняемого в настоящий момент, равно по меньшей мере 1. Поэтому когда процесс разрывает связь с файлом (функция unlink), содержимое файла остается нетронутым (не претерпевает изменений). После загрузки в память сам файл ядру становится ненужен, ядро интересует только указатель на копию индекса файла в памяти, содержащийся в таблице областей; этот указатель и будет идентифицировать файл, связанный с областью. Если бы значение счетчика ссылок стало равным 0, ядро могло бы передать копию индекса в памяти другому файлу, тем самым делая сомнительным значение указателя на индекс в записи таблицы областей: если бы пользователю пришлось исполнить новый файл, используя функцию exec, ядро по ошибке связало бы его с областью команд старого файла. Эта проблема устраняется благодаря тому, что ядро при выполнении алгоритма allocreg увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, предупреждая тем самым переназначение индекса в памяти другому файлу. Когда процесс во время выполнения функций exit или exec отсоединяет область команд, ядро уменьшает значение счетчика ссылок на индекс (по алгоритму freereg), если только связь индекса с областью не помечена как «неотъемлемая».

алгоритм xalloc /* выделение и инициализация области команд */

входная информация: индекс исполняемого файла

выходная информация: отсутствует

{

 if (исполняемый файл не имеет отдельной области команд) return;

 if (уже имеется область команд, ассоциированная с индексом исполняемого файла) {

  /* область команд уже существует… подключиться к ней */

  заблокировать область;

  do while (содержимое области еще не доступно) {

   /* операции над счетчиком ссылок, предохраняющие от глобального удаления области */

   увеличить значение счетчика ссылок на область;

   снять с области блокировку;

   sleep (пока содержимое области не станет доступным);

   заблокировать область;

   уменьшить значение счетчика ссылок на область;

  }

  присоединить область к процессу (алгоритм attachreg);

  снять с области блокировку;

  return;

 }

 /* интересующая нас область команд не существует — создать новую */

 выделить область команд (алгоритм allocreg); /* область заблокирована */

 if (область помечена как «неотъемлемая»)

  отключить соответствующий флаг;

 подключить область к виртуальному адресу, указанному в заголовке файла (алгоритм attachreg);

 if (файл имеет специальный формат для системы с замещением страниц) /* этот случай будет рассмотрен в главе 9 */

 else /* файл не имеет специального формата */

  считать команды из файла в область (алгоритм loadreg);

 изменить режим защиты области в записи частной таблицы областей процесса на «read-only»;

 снять с области блокировку;

}

Рисунок 7.23. Алгоритм выделения областей команд

Рисунок 7.24. Взаимосвязь между таблицей индексов и таблицей областей в случае совместного использования процессами одной области команд

Рассмотрим в качестве примера ситуацию, приведенную на Рисунке 7.21, где показана взаимосвязь между структурами данных в процессе выполнения функции exec по отношению к файлу «/bin/date» при условии расположения команд и данных файла в разных областях. Когда процесс исполняет файл «/bin/date» первый раз, ядро назначает для команд файла точку входа в таблице областей (Рисунок 7.24) и по завершении выполнения функции exec оставляет счетчик ссылок на индекс равным 1. Когда файл «/bin/date» завершается, ядро запускает алгоритмы detachreg и freereg, сбрасывая значение счетчика ссылок в 0. Однако, если ядро в первом случае не увеличило значение счетчика, оно по завершении функции exec останется равным 0 и индекс на всем протяжении выполнения процесса будет находиться в списке свободных индексов. Предположим, что в это время свободный индекс понадобился процессу, запустившему с помощью функции exec файл «/bin/who», тогда ядро может выделить этому процессу индекс, ранее принадлежавший файлу «/ bin/date». Просматривая таблицу областей в поисках индекса файла «/bin/who», ядро вместо него выбрало бы индекс файла «/bin/date». Считая, что область содержит команды файла «/bin/who», ядро исполнило бы совсем не ту программу. Поэтому значение счетчика ссылок на индекс активного файла, связанного с разделяемой областью команд, должно быть не меньше единицы, чтобы ядро не могло переназначить индекс другому файлу.

Возможность совместного использования различными процессами одних и тех же областей команд позволяет экономить время, затрачиваемое на запуск программы с помощью функции exec. Администраторы системы могут с помощью системной функции (и команды) chmod устанавливать для часто исполняемых файлов режим «sticky-bit», сущность которого заключается в следующем. Когда процесс исполняет файл, для которого установлен режим «sticky-bit», ядро не освобождает область памяти, отведенную под команды файла, отсоединяя область от процесса во время выполнения функций exit или exec, даже если значение счетчика ссылок на индекс становится равным 0. Ядро оставляет область команд в первоначальном виде, при этом значение счетчика ссылок на индекс равно 1, пусть даже область не подключена больше ни к одному из процессов. Если же файл будет еще раз запущен на выполнение (уже другим процессом), ядро в таблице областей обнаружит запись, соответствующую области с командами файла. Процесс затратит на запуск файла меньше времени, так как ему не придется читать команды из файловой системы. Если команды файла все еще находятся в памяти, в их перемещении не будет необходимости; если же команды выгружены во внешнюю память, будет гораздо быстрее загрузить их из внешней памяти, чем из файловой системы (см. об этом в главе 9).

Ядро удаляет из таблицы областей записи, соответствующие областям с командами файла, для которого установлен режим «sticky-bit» (иными словами, когда область помечена как «неотъемлемая» часть файла или процесса), в следующих случаях:

1. Если процесс открыл файл для записи, в результате соответствующих операций содержимое файла изменится, при этом будет затронуто и содержимое области.

2. Если процесс изменил права доступа к файлу (chmod), отменив режим «sticky-bit», файл не должен оставаться в таблице областей.

3. Если процесс разорвал связь с файлом (unlink), он не сможет больше исполнять этот файл, поскольку у файла не будет точки входа в файловую систему; следовательно, и все остальные процессы не будут иметь доступа к записи в таблице областей, соответствующей файлу. Поскольку область с командами файла больше не используется, ядро может освободить ее вместе с остальными ресурсами, занимаемыми файлом.

4. Если процесс демонтирует файловую систему, файл перестает быть доступным и ни один из процессов не может его исполнить. В остальном — все как в предыдущем случае.

5. Если ядро использовало уже все пространство внешней памяти, отведенное под выгрузку задач, оно пытается освободить часть памяти за счет областей, имеющих пометку «sticky-bit», но не используемых в настоящий момент. Несмотря на то, что эти области могут вскоре понадобиться другим процессам, потребности ядра являются более срочными.