Страница:
4. Восстановить его контекст.
Рисунок 6.15. Последовательность шагов, выполняемых при переключении контекста
Текст программы, реализующей переключение контекста в системе UNIX, из всех программ операционной системы самый трудный для понимания, ибо при рассмотрении обращений к функциям создается впечатление, что они в одних случаях не возвращают управление, а в других — возникают непонятно откуда. Причиной этого является то, что ядро во многих системных реализациях сохраняет контекст процесса в одном месте программы, но продолжает работу, выполняя переключение контекста и алгоритмы диспетчеризации в контексте «прежнего» процесса. Когда позднее ядро восстанавливает контекст процесса, оно возобновляет его выполнение в соответствии с ранее сохраненным контекстом. Чтобы различать между собой те случаи, когда ядро восстанавливает контекст нового процесса, и когда оно продолжает исполнять ранее сохраненный контекст, можно варьировать значения, возвращаемые критическими функциями, или устанавливать искусственным образом текущее значение счетчика команд.
На Рисунке 6.16 приведена схема переключения контекста. Функция save_context сохраняет информацию о контексте исполняемого процесса и возвращает значение 1. Кроме всего прочего, ядро сохраняет текущее значение счетчика команд (в функции save_context) и значение 0 в нулевом регистре при выходе из функции. Ядро продолжает исполнять контекст «прежнего» процесса (A), выбирая для выполнения следующий процесс (B) и вызывая функцию resume_context для восстановления его контекста. После восстановления контекста система выполняет процесс B; прежний процесс (A) больше не исполняется, но он оставил после себя сохраненный контекст. Позже, когда будет выполняться переключение контекста, ядро снова изберет процесс A (если только, разумеется, он не был завершен). В результате восстановления контекста A ядро присвоит счетчику команд то значение, которое было сохранено процессом A ранее в функции save_context, и возвратит в регистре 0 значение 0. Ядро возобновляет выполнение процесса A из функции save_context, пусть даже при выполнении программы переключения контекста оно не добралось еще до функции resume_context. В конечном итоге, процесс A возвращается из функции save_context со значением 0 (в нулевом регистре) и возобновляет выполнение после строки комментария «возобновление выполнение процесса начинается отсюда».
if (save_context()) { /* сохранение контекста выполняющегося процесса */
/* выбор следующего процесса для выполнения */
...
resume_context(new_process);
/* сюда программа не попадает! */
}
/* возобновление выполнение процесса начинается отсюда */
Рисунок 6.16. Псевдопрограмма переключения контекста
6.4.4 Сохранение контекста на случай аварийного завершения
6.4.5 Копирование данных между адресным пространством системы и адресным пространством задачи
6.5 УПРАВЛЕНИЕ АДРЕСНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ ПРОЦЕССА
6.5.1 Блокировка области и снятие блокировки
6.5.2 Выделение области
6.5.3 Присоединение области к процессу
6.5.4 Изменение размера области
6.5.5 Загрузка области
6.5.6 Освобождение области
6.5.7 Отсоединение области от процесса
Рисунок 6.15. Последовательность шагов, выполняемых при переключении контекста
Текст программы, реализующей переключение контекста в системе UNIX, из всех программ операционной системы самый трудный для понимания, ибо при рассмотрении обращений к функциям создается впечатление, что они в одних случаях не возвращают управление, а в других — возникают непонятно откуда. Причиной этого является то, что ядро во многих системных реализациях сохраняет контекст процесса в одном месте программы, но продолжает работу, выполняя переключение контекста и алгоритмы диспетчеризации в контексте «прежнего» процесса. Когда позднее ядро восстанавливает контекст процесса, оно возобновляет его выполнение в соответствии с ранее сохраненным контекстом. Чтобы различать между собой те случаи, когда ядро восстанавливает контекст нового процесса, и когда оно продолжает исполнять ранее сохраненный контекст, можно варьировать значения, возвращаемые критическими функциями, или устанавливать искусственным образом текущее значение счетчика команд.
На Рисунке 6.16 приведена схема переключения контекста. Функция save_context сохраняет информацию о контексте исполняемого процесса и возвращает значение 1. Кроме всего прочего, ядро сохраняет текущее значение счетчика команд (в функции save_context) и значение 0 в нулевом регистре при выходе из функции. Ядро продолжает исполнять контекст «прежнего» процесса (A), выбирая для выполнения следующий процесс (B) и вызывая функцию resume_context для восстановления его контекста. После восстановления контекста система выполняет процесс B; прежний процесс (A) больше не исполняется, но он оставил после себя сохраненный контекст. Позже, когда будет выполняться переключение контекста, ядро снова изберет процесс A (если только, разумеется, он не был завершен). В результате восстановления контекста A ядро присвоит счетчику команд то значение, которое было сохранено процессом A ранее в функции save_context, и возвратит в регистре 0 значение 0. Ядро возобновляет выполнение процесса A из функции save_context, пусть даже при выполнении программы переключения контекста оно не добралось еще до функции resume_context. В конечном итоге, процесс A возвращается из функции save_context со значением 0 (в нулевом регистре) и возобновляет выполнение после строки комментария «возобновление выполнение процесса начинается отсюда».
if (save_context()) { /* сохранение контекста выполняющегося процесса */
/* выбор следующего процесса для выполнения */
...
resume_context(new_process);
/* сюда программа не попадает! */
}
/* возобновление выполнение процесса начинается отсюда */
Рисунок 6.16. Псевдопрограмма переключения контекста
6.4.4 Сохранение контекста на случай аварийного завершения
Существуют ситуации, когда ядро вынуждено аварийно прерывать текущий порядок выполнения и немедленно переходить к исполнению ранее сохраненного контекста. В последующих разделах, где пойдет речь о приостановлении выполнения и о сигналах, будут описаны обстоятельства, при которых процессу приходится внезапно изменять свой контекст; в данном же разделе рассматривается механизм исполнения предыдущего контекста. Алгоритм сохранения контекста называется setjmp, а алгоритм восстановления контекста — longjmp
[19]. Механизм работы алгоритма setjmp похож на механизм функции save_context, рассмотренный в предыдущем разделе, если не считать того, что функция save_context помещает новый контекстный уровень в стек, в то время как setjmp сохраняет контекст в пространстве процесса и после выхода из него выполнение продолжается в прежнем контекстном уровне. Когда ядру понадобится восстановить контекст, сохраненный в результате работы алгоритма setjmp, оно исполнит алгоритм longjmp, который восстанавливает контекст из пространства процесса и имеет, как и setjmp, код завершения, равный 1.
6.4.5 Копирование данных между адресным пространством системы и адресным пространством задачи
До сих пор речь шла о том, что процесс выполняется в режиме ядра или в режиме задачи без каких-либо перекрытий (пересечений) между режимами. Однако, при выполнении большинства системных функций, рассмотренных в последней главе, между пространством ядра и пространством задачи осуществляется пересылка данных, например, когда идет копирование параметров вызываемой функции из пространства задачи в пространство ядра или когда производится передача данных из буферов ввода-вывода в процессе выполнения функции read. На многих машинах ядро системы может непосредственно ссылаться на адреса, принадлежащие адресному пространству задачи. Ядро должно убедиться в том, что адрес, по которому производится запись или считывание, доступен, как будто бы работа ведется в режиме задачи; в противном случае произошло бы нарушение стандартных методов защиты и ядро, пусть неумышленно, стало бы обращаться к адресам, которые находятся за пределами адресного пространства задачи (и, возможно, принадлежат структурам данных ядра). Поэтому передача данных между пространством ядра и пространством задачи является «дорогим предприятием», требующим для своей реализации нескольких команд.
fubyte: # пересылка байта из пространства задачи
prober $3, $1, *4(ap) # байт доступен?
beql eret # нет
movzbl *4(ap), r0
ret
eret:
mnegl $1, r0 # возврат ошибки (-1)
ret
Рисунок 6.17. Пересылка данных из пространства задачи в пространство ядра в системе VAX
На Рисунке 6.17 показан пример реализованной в системе VAX программы пересылки символа из адресного пространства задачи в адресное пространство ядра. Команда prober проверяет, может ли байт по адресу, равному (регистр указателя аргумента + 4), быть считан в режиме задачи (режиме 3), и если нет, ядро передает управление по адресу eret, сохраняет в нулевом регистре -1 и выходит из программы; при этом пересылки символа не происходит. В противном случае ядро пересылает один байт, находящийся по указанному адресу, в регистр 0 и возвращает его в вызывающую программу. Пересылка 1 символа потребовала пяти команд (включая вызов функции с именем fubyte).
fubyte: # пересылка байта из пространства задачи
prober $3, $1, *4(ap) # байт доступен?
beql eret # нет
movzbl *4(ap), r0
ret
eret:
mnegl $1, r0 # возврат ошибки (-1)
ret
Рисунок 6.17. Пересылка данных из пространства задачи в пространство ядра в системе VAX
На Рисунке 6.17 показан пример реализованной в системе VAX программы пересылки символа из адресного пространства задачи в адресное пространство ядра. Команда prober проверяет, может ли байт по адресу, равному (регистр указателя аргумента + 4), быть считан в режиме задачи (режиме 3), и если нет, ядро передает управление по адресу eret, сохраняет в нулевом регистре -1 и выходит из программы; при этом пересылки символа не происходит. В противном случае ядро пересылает один байт, находящийся по указанному адресу, в регистр 0 и возвращает его в вызывающую программу. Пересылка 1 символа потребовала пяти команд (включая вызов функции с именем fubyte).
6.5 УПРАВЛЕНИЕ АДРЕСНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ ПРОЦЕССА
В этой главе мы пока говорили о том, каким образом осуществляется переключение контекста между процессами и как контекстные уровни запоминаются в стеке и выбираются из стека, представляя контекст пользовательского уровня как статический объект, не претерпевающий изменений при восстановлении контекста процесса. Однако, с виртуальным адресным пространством процесса работают различные системные функции и, как будет показано в следующей главе, выполняют при этом операции над областями. В этом разделе рассматривается информационная структура области; системные функции, реализующие операции над областями, будут рассмотрены в следующей главе.
• Запись таблицы областей содержит информацию, необходимую для описания области. В частности, она включает в себя следующие поля:
• Указатель на индекс файла, содержимое которого было первоначально загружено в область
• Тип области (область команд, разделяемая память, область частных данных или стека)
• Размер области
• Местоположение области в физической памяти
• Статус (состояние) области, представляющий собой комбинацию из следующих признаков:
- заблокирована
- запрошена
- идет процесс ее загрузки в память
- готова, загружена в память
• Счетчик ссылок, в котором хранится количество процессов, ссылающихся на данную область.
К операциям работы с областями относятся: блокировка области, снятие блокировки с области, выделение области, присоединение области к пространству памяти процесса, изменение размера области, загрузка области из файла в пространство памяти процесса, освобождение области, отсоединение области от пространства памяти процесса и копирование содержимого области. Например, системная функция exec, в которой содержимое исполняемого файла накладывается на адресное пространство задачи, отсоединяет старые области, освобождает их в том случае, если они не являются разделяемыми, выделяет новые области, присоединяет их и загружает содержимым файла. В остальной части раздела операции над областями описываются более детально с ориентацией на модель управления памятью, рассмотренную ранее (с таблицами страниц и группами аппаратных регистров), и с ориентацией на алгоритмы назначения страниц физической памяти и таблиц страниц (глава 9).
• Запись таблицы областей содержит информацию, необходимую для описания области. В частности, она включает в себя следующие поля:
• Указатель на индекс файла, содержимое которого было первоначально загружено в область
• Тип области (область команд, разделяемая память, область частных данных или стека)
• Размер области
• Местоположение области в физической памяти
• Статус (состояние) области, представляющий собой комбинацию из следующих признаков:
- заблокирована
- запрошена
- идет процесс ее загрузки в память
- готова, загружена в память
• Счетчик ссылок, в котором хранится количество процессов, ссылающихся на данную область.
К операциям работы с областями относятся: блокировка области, снятие блокировки с области, выделение области, присоединение области к пространству памяти процесса, изменение размера области, загрузка области из файла в пространство памяти процесса, освобождение области, отсоединение области от пространства памяти процесса и копирование содержимого области. Например, системная функция exec, в которой содержимое исполняемого файла накладывается на адресное пространство задачи, отсоединяет старые области, освобождает их в том случае, если они не являются разделяемыми, выделяет новые области, присоединяет их и загружает содержимым файла. В остальной части раздела операции над областями описываются более детально с ориентацией на модель управления памятью, рассмотренную ранее (с таблицами страниц и группами аппаратных регистров), и с ориентацией на алгоритмы назначения страниц физической памяти и таблиц страниц (глава 9).
6.5.1 Блокировка области и снятие блокировки
Операции блокировки и снятия блокировки для области выполняются независимо от операций выделения и освобождения области, подобно тому, как операции блокирования-разблокирования индекса в файловой системе выполняются независимо от операций назначения-освобождения индекса (алгоритмы iget и iput). Таким образом, ядро может заблокировать и выделить область, а потом снять блокировку, не освобождая области. Точно также, когда ядру понадобится обратиться к выделенной области, оно сможет заблокировать область, чтобы запретить доступ к ней со стороны других процессов, и позднее снять блокировку.
6.5.2 Выделение области
Ядро выделяет новую область (по алгоритму allocreg, Рисунок 6.18) во время выполнения системных функций fork, exec и shmget (получить разделяемую память). Ядро поддерживает таблицу областей, записям которой соответствуют точки входа либо в списке свободных областей, либо в списке активных областей. При выделении записи в таблице областей ядро выбирает из списка свободных областей первую доступную запись, включает ее в список активных областей, блокирует область и делает пометку о ее типе (разделяемая или частная). За некоторым исключением каждый процесс ассоциируется с исполняемым файлом (после того, как была выполнена команда exec), и в алгоритме allocreg поле индекса в записи таблицы областей устанавливается таким образом, чтобы оно указывало на индекс исполняемого файла. Индекс идентифицирует область для ядра, поэтому другие процессы могут при желании разделять область. Ядро увеличивает значение счетчика ссылок на индекс, чтобы помешать другим процессам удалять содержимое файла при выполнении функции unlink, об этом еще будет идти речь в разделе 7.5. Результатом алгоритма allocreg является назначение и блокировка области.
алгоритм allocreg /* разместить информационную структуру области */
входная информация:
(1) указатель индекса
(2) тип области
выходная информация: заблокированная область
{
выбрать область из списка свободных областей;
назначить области тип;
присвоить значение указателю индекса;
if (указатель индекса имеет ненулевое значение)
увеличить значение счетчика ссылок на индекс;
включить область в список активных областей;
return (заблокированную область);
}
Рисунок 6.18. Алгоритм выделения области
алгоритм allocreg /* разместить информационную структуру области */
входная информация:
(1) указатель индекса
(2) тип области
выходная информация: заблокированная область
{
выбрать область из списка свободных областей;
назначить области тип;
присвоить значение указателю индекса;
if (указатель индекса имеет ненулевое значение)
увеличить значение счетчика ссылок на индекс;
включить область в список активных областей;
return (заблокированную область);
}
Рисунок 6.18. Алгоритм выделения области
6.5.3 Присоединение области к процессу
Ядро присоединяет область к адресному пространству процесса во время выполнения системных функций fork, exec и shmat (алгоритм attachreg, Рисунок 6.19). Область может быть вновь назначаемой или уже существующей, которую процесс будет использовать совместно с другими процессами. Ядро выбирает свободную запись в частной таблице областей процесса, устанавливает в ней поле типа таким образом, чтобы оно указывало на область команд, данных, разделяемую память или область стека, и записывает виртуальный адрес, по которому область будет размещаться в адресном пространстве процесса. Процесс не должен выходить за предел установленного системой ограничения на максимальный виртуальный адрес, а виртуальные адреса новой области не должны пересекаться с адресами существующих уже областей. Например, если система ограничила максимально-допустимое значение виртуального адреса процесса 8 мегабайтами, то привязать область размером 1 мегабайт к виртуальному адресу 7.5M не удастся. Если же присоединение области допустимо, ядро увеличивает значение поля, описывающего размер области процесса в записи таблицы процессов, на величину присоединяемой области, а также увеличивает значение счетчика ссылок на область.
Кроме того, в алгоритме attachreg устанавливаются начальные значения группы регистров управления памятью, выделенных процессу. Если область ранее не присоединялась к какому-либо процессу, ядро с помощью функции growreg (см. следующий раздел) заводит для области новые таблицы страниц; в противном случае используются уже существующие таблицы страниц. Алгоритм завершает работу, возвращая указатель на точку входа в частную таблицу областей процесса, соответствующую вновь присоединенной области. Допустим, например, что ядру нужно подключить к процессу по виртуальному адресу 0 существующую (разделяемую) область, имеющую размер 7 Кбайт (Рисунок 6.20). Оно выделяет новую группу регистров управления памятью и заносит в них адрес таблицы страниц области, виртуальный адрес области в пространстве процесса (0) и размер таблицы страниц (9 записей).
алгоритм attachreg /* присоединение области к процессу */
входная информация:
(1) указатель на присоединяемую область (заблокированную)
(2) процесс, к которому присоединяется область
(3) виртуальный адрес внутри процесса, по которому будет присоединена область
(4) тип области
выходная информация: точка входа в частную таблицу областей процесса
{
выделить новую запись в частной таблице областей процесса;
проинициализировать значения полей записи:
установить указатель на присоединяемую область;
установить тип области;
установить виртуальный адрес области;
проверить правильность указания виртуального адреса и размера области;
увеличить значение счетчика ссылок на область;
увеличить размер процесса с учетом присоединения области;
записать начальные значения в новую группу аппаратных регистров;
return (точку входа в частную таблицу областей процесса);
}
Рисунок 6.19. Алгоритм присоединения области
Кроме того, в алгоритме attachreg устанавливаются начальные значения группы регистров управления памятью, выделенных процессу. Если область ранее не присоединялась к какому-либо процессу, ядро с помощью функции growreg (см. следующий раздел) заводит для области новые таблицы страниц; в противном случае используются уже существующие таблицы страниц. Алгоритм завершает работу, возвращая указатель на точку входа в частную таблицу областей процесса, соответствующую вновь присоединенной области. Допустим, например, что ядру нужно подключить к процессу по виртуальному адресу 0 существующую (разделяемую) область, имеющую размер 7 Кбайт (Рисунок 6.20). Оно выделяет новую группу регистров управления памятью и заносит в них адрес таблицы страниц области, виртуальный адрес области в пространстве процесса (0) и размер таблицы страниц (9 записей).
алгоритм attachreg /* присоединение области к процессу */
входная информация:
(1) указатель на присоединяемую область (заблокированную)
(2) процесс, к которому присоединяется область
(3) виртуальный адрес внутри процесса, по которому будет присоединена область
(4) тип области
выходная информация: точка входа в частную таблицу областей процесса
{
выделить новую запись в частной таблице областей процесса;
проинициализировать значения полей записи:
установить указатель на присоединяемую область;
установить тип области;
установить виртуальный адрес области;
проверить правильность указания виртуального адреса и размера области;
увеличить значение счетчика ссылок на область;
увеличить размер процесса с учетом присоединения области;
записать начальные значения в новую группу аппаратных регистров;
return (точку входа в частную таблицу областей процесса);
}
Рисунок 6.19. Алгоритм присоединения области
6.5.4 Изменение размера области
Процесс может расширять или сужать свое виртуальное адресное пространство с помощью функции sbrk. Точно так же и стек процесса расширяется автоматически (то есть для этого процессу не нужно явно обращаться к определенной функции) в соответствии с глубиной вложенности обращений к подпрограммам. Изменение размера области производится внутри ядра по алгоритму growreg (Рисунок 6.21). При расширении области ядро проверяет, не будут ли виртуальные адреса расширяемой области пересекаться с адресами какой-нибудь другой области и не повлечет ли расширение области за собой выход процесса за пределы максимально-допустимого виртуального пространства памяти. Ядро никогда не использует алгоритм growreg для увеличения размера разделяемой области, уже присоединенной к нескольким процессам; поэтому оно не беспокоится о том, не приведет ли увеличение размера области для одного процесса к превышению другим процессом системного ограничения, накладываемого на размер процесса. При работе с существующей областью ядро использует алгоритм growreg в двух случаях: выполняя функцию sbrk по отношению к области данных процесса и реализуя автоматическое увеличение стека задачи. Обе эти области (данных и стека) частного типа. Области команд и разделяемой памяти после инициализации не могут расширяться. Этот момент будет пояснен в следующей главе.
Рисунок 6.20. Пример присоединения существующей области команд
Чтобы разместить расширенную память, ядро выделяет новые таблицы страниц (или расширяет существующие) или отводит дополнительную физическую память в тех системах, где не поддерживается подкачка страниц по обращению. При выделении дополнительной физической памяти ядро проверяет ее наличие перед выполнением алгоритма growreg; если же памяти больше нет, ядро прибегает к другим средствам увеличения размера области (см. главу 9). Если процесс сокращает размер области, ядро просто освобождает память, отведенную под область. Во всех этих случаях ядро переопределяет размеры процесса и области и переустанавливает значения полей записи частной таблицы областей процесса и регистров управления памятью (так, чтобы они согласовались с новым отображением памяти).
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
Рисунок 6.20. Пример присоединения существующей области команд
Чтобы разместить расширенную память, ядро выделяет новые таблицы страниц (или расширяет существующие) или отводит дополнительную физическую память в тех системах, где не поддерживается подкачка страниц по обращению. При выделении дополнительной физической памяти ядро проверяет ее наличие перед выполнением алгоритма growreg; если же памяти больше нет, ядро прибегает к другим средствам увеличения размера области (см. главу 9). Если процесс сокращает размер области, ядро просто освобождает память, отведенную под область. Во всех этих случаях ядро переопределяет размеры процесса и области и переустанавливает значения полей записи частной таблицы областей процесса и регистров управления памятью (так, чтобы они согласовались с новым отображением памяти).
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
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;
уменьшить размер процесса;
уменьшить значение счетчика ссылок на область;
if (значение счетчика стало нулевым и область не является неотъемлемой частью процесса)
освободить область (алгоритм freereg);
else { /* либо значение счетчика отлично от 0, либо область является неотъемлемой частью процесса */
снять блокировку с индекса (ассоциированного с областью);
снять блокировку с области;
}
}
Рисунок 6.26. Алгоритм отсоединения области
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;
уменьшить размер процесса;
уменьшить значение счетчика ссылок на область;
if (значение счетчика стало нулевым и область не является неотъемлемой частью процесса)
освободить область (алгоритм freereg);
else { /* либо значение счетчика отлично от 0, либо область является неотъемлемой частью процесса */
снять блокировку с индекса (ассоциированного с областью);
снять блокировку с области;
}
}
Рисунок 6.26. Алгоритм отсоединения области