Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

3. Переменные автоматического класса хранения, используемые в функциях программы, используют стек. Память для них выделяется при вызове функции и освобождается при возврате. Например:

func1() {

int a;

char *b;

static int с = 4;

...

}

В данном примере переменные аи bразмещаются в сегменте стека. Переменная с размешается в сегменте инициализированных данных и загружается из исполняемого файла либо во время создания процесса, либо в процессе загрузки страниц по требованию. Более подробно страничный механизм описан в главе 3.

4. Выделение памяти явно запрашивается некоторыми системными вызовами или библиотечными функциями. Например, функция malloc(3C) запрашивает выделение дополнительной памяти, которая в дальнейшем используется для динамического размещения данных. Функция ctime(3C) , предоставляющая системное время в удобном формате, также требует выделения памяти для размещения строки, содержащей значения текущего времени, указатель на которую возвращается программе.

Напомним, что дополнительная память выделяется из хипа (heap) — области виртуальной памяти, расположенной рядом с сегментом данных, размер которой меняется для удовлетворения запросов на размещение. Следующий за сегментом данных адрес называется разделительным или брейк-адресом (break address). Изменение размера сегмента данных по существу заключается в изменении брейк-адреса. Для изменения его значения UNIX предоставляет процессу два системных вызова — brk(2) и sbrk(2) .

#include

int brk(void *endds);

void *sbrk(int incr);

Системный вызов brk(2) позволяет установить значение брейк-адреса равным enddsи, в зависимости от его значения, выделяет или освобождает память (рис. 2.11). Функция sbrk(2) изменяет значение брейк-адреса на величину incr. Если значение incrбольше 0, происходит выделение памяти, в противном случае, память освобождается. [23] Заметим, что в некоторых системах дополнительная память выделяется (или освобождается) в порциях, кратных размеру страницы. Например, выделение всего 100 байтов на самом деле приведет к выделению 4096 байтов, если размер страницы равен 4K.

Рис 2.11. Динамическое выделение памяти с помощью brk(2)

Существуют четыре стандартные библиотечные функции, предназначенные для динамического выделения/освобождения памяти.

#include

void *malloc(size_t size);

void *calloc(size_t nelem, size_t elsize);

void *realloc(void *ptr, size_t size);

void free(void *ptr);

Функция malloc(3C) выделяет указанное аргументом sizeчисло байтов.

Функция calloc(3C) выделяет память для указанного аргументом nelemчисла объектов, размер которых elsize. Выделенная память инициализируется нулями.

Функция realloc(3C) изменяет размер предварительно выделенной области памяти (увеличивает или уменьшает, в зависимости от знака аргумента size). Увеличение размера может привести к перемещению всей области в другое место виртуальной памяти, где имеется необходимое свободное непрерывное виртуальное адресное пространство.

Функция free(3C) освобождает память, предварительно выделенную с помощью функций malloc(3C) , calloc(3C) или realloc(3C) , указатель на которую передается через аргумент ptr.

Указатель, возвращаемый функциями malloc(3C) , calloc(3C) и realloc(3C) , соответствующим образом выровнен, таким образом выделенная память пригодна для хранения объектов любых типов. Например, если наиболее жестким требованием по выравниванию в системе является размещение переменных типа double по адресам, кратным 8, то это требование будет распространено на все указатели, возвращаемыми этими функциями.

Упомянутые библиотечные функции обычно используют системные вызовы sbrk(2) или brk(2) . Хотя эти системные вызовы позволяют как выделять, так и освобождать память, в случае библиотечных функций память реально не освобождается, даже при вызове free(3C) . Правда, с помощью функций malloc(3C) , calloc(3C) или realloc(3C) можно снова выделить и использовать эту память и снова освободить ее, но она не передается обратно ядру, а остается в пуле malloc(3C) .

Для иллюстрации этого положения приведем небольшую программу, выделяющую и освобождающую память с помощью функций malloc(3C) и free(3C) , соответственно. Контроль действительного значения брейк-адреса осуществляется с помощью системного вызова sbrk(2) :

#include

#include

main() {

char *obrk;

char *nbrk;

char *naddr;

/* Определим текущий брейк-адрес */

obrk = sbrk(0);

printf("Текущий брейк-адрес= 0x%x\n", obrk);

/* Выделим 64 байта из хипа */

naddr = malloc(64);

/* Определим новый брейк-адрес */

nbrk = sbrk(0);

printf("Новый адрес области malloc= 0x%x,"

" брейк-адрес= 0х%x (увеличение на %d байтов)\n",

naddr, nbrk, nbrk — obrk);

/* "Освободим" выделенную память и проверим, что произошло

на самом деле */

free(naddr);

printf("free(0x%x)\n", naddr);

obrk = sbrk(0);

printf("Новый брейк-адрес= 0x%x (увеличение на %d байтов)\n",

obrk, obrk — nbrk);

}

Откомпилируем и запустим программу:

$ a.out

Текущий брейк-адрес= 0x20ac0

malloc(64)

Новый адрес области malloc = 0x20ac8, брейк-адрес = 0x22ac0

(увеличение на 8192 байтов)

free(0x20ac8)

Новый брейк-адрес = 0x22ac0 (увеличение на 0 байтов)

$

Как видно из вывода программы, несмотря на освобождение памяти функцией free(3C) , значение брейк-адреса не изменилось. Также можно заметить, что функция malloc(3C) выделяет больше памяти, чем требуется. Дополнительная память выделяется для необходимого выравнивания и для хранения внутренних данных malloc(3C) , таких как размер области, указатель на следующую область и т.п.

Работая в командной строке shell вы, возможно, не задумывались, каким образом запускаются программы. На самом деле каждый раз порождается новый процесс, а затем загружается программа. В UNIX эти два этапа четко разделены. Соответственно система предоставляет два различных системных вызова: один для создания процесса, а другой для запуска новой программы.

Новый процесс порождается с помощью системного вызова fork(2) :

#include

#include

pid_t fork(void);

Порожденный, или дочерний процесс, хотя это кажется странным, является точной копией процесса, выполнившего этот вызов, или родительского процесса. В частности, дочерний процесс наследует такие атрибуты родителя, как: