Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Простое выделение памяти

Вы можете выделить память с помощью вызова malloc из стандартной библиотеки С:

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);

Примечание

Имейте в виду, что ОС Linux (следующая требованиям стандарта X/Open) отличается от некоторых реализаций UNIX тем, что не требует включения специального заголовочного файла malloc.h. Кроме того, параметр size, задающий количество выделяемых байтов, — это не простой тип int, хотя обычно он задается типом беззнаковое целое (unsigned integer).

В большинстве систем Linux вы можете выделять большой объем памяти. Давайте начнем с очень простой программы из упражнения 7.1, которая, тем не менее, выигрывает соревнование со старыми программами ОС MS-DOS, поскольку они не могут обращаться к памяти за пределами базовой карты памяти ПК объемом 640 Кбайт.

Упражнение 7.1. Простое распределение памяти

Наберите следующую программу memory1.с:

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#define A_MEGABYTE (1024 * 1024)

int main() {

 char *some_memory;

 int megabyte = A_MEGABYTE;

 int exit_code = EXIT_FAILURE;

 some_memory = (char*)malloc(megabyte);

 if (some_memory ! = NULL) {

  sprintf(some_memory, "Hello Worldn");

  printf("%s", some_memory);

  exit_code = EXIT_SUCCESS;

 }

 exit(exit_code);

}

Когда вы выполните эту программу, то получите следующий вывод:

$ ./memory1

Hello World

Как это работает

Данная программа запрашивает с помощью библиотечного вызова malloc указатель на один мегабайт памяти. Вы проверяете, успешно ли завершился вызов malloc, и используете часть памяти, чтобы продемонстрировать ее наличие. Когда вы выполните программу, то увидите вывод фразы "Hello World", показывающий, что malloc действительно вернул мегабайт используемой памяти. Мы не проверяем наличие мегабайта целиком; мы приняли на веру программный код malloc!

Поскольку функция malloc возвращает указатель типа void*, вы преобразуете результат в нужный вам указатель типа char*. Эта функция возвращает память, выровненную так, что она может быть преобразована в указатель любого типа.

Простое основание — современные системы Linux применяют 32-разрядные целые и 32-разрядные указатели, что позволяет задавать до 4 Гбайт. Эта способность задавать адреса с помощью 32-разрядного указателя без необходимости применения регистров сегментов или других приемов, называется простой 32-разрядной моделью памяти. Эта модель также используется и в 32-разрядных версиях ОС Windows ХР и Vista. Тем не менее, никогда не следует рассчитывать на 32-разрядные целые, поскольку все возрастающее количество 64-разрядных версий Linux находится в употреблении.

Выделение огромных объемов памяти

Теперь, когда вы увидели, что ОС Linux преодолевает ограничения модели памяти ОС MS-DOS, давайте усложним ей задачу. Приведенная в упражнении 7.2 программа запрашивает выделение объема памяти, большего, чем физически есть в машине, поэтому можно предположить, что функция malloc начнет давать сбои при приближении к максимальному объему физической памяти, поскольку ядру и всем остальным выполняющимся процессам также нужна память.

Упражнение 7.2. Запрос на всю физическую память

С помощью программы memory2.с мы собираемся запросить больше памяти, чем физически есть в машине. Вам нужно откорректировать определение PHY_MEM_MEGS в соответствии с физическими ресурсами вашего компьютера.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#define A_MEGABYTE (1024 * 1024)

#define PHY_MEM_MEGS 1024 /* Откорректируйте это число

                             должным образом */

int main() {

 char *some_memory;

 size_t size_to_allocate = A_MEGABYTE;

 int megs_obtained = 0;

 while (megs_obtained < (PHY_MEM_MEGS * 2)) {

  some_memory = (char *)malloc(size_to_allocate);

  if (some_memory != NULL) {

   megs_obtained++;

   sprintf(somememory, "Hello World");

   printf("%s — now allocated %d Megabytesn", some_memory, megs_obtained);

  } else {

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Далее приведен немного сокращенный вывод:

$ ./memory3

Hello World — now allocated 1 Megabytes

Hello World — now allocated 2 Megabytes

...

Hello World — now allocated 2047 Megabytes

Hello World — now allocated 2048 Megabytes

Как это работает

Программа очень похожа на предыдущий пример. Это просто циклы, запрашивающие все больше и больше памяти до тех пор, пока не будет выделено памяти вдвое больше, чем заданный вами с помощью корректировки определения PHY_MEM_MEGS объем памяти, имеющейся у вашего компьютера. Удивительно, что эта программа вообще работает, потому что мы, как оказалось, создали программу, которая использует каждый байт физической памяти на машине одного из авторов. Обратите внимание на то, что в нашем вызове malloc применяется тип size_t.

Другая интересная особенность заключается в том, что, по крайней мере, на данной машине программа выполняется в мгновение ока. Таким образом, мы не только вне сомнения использовали всю память, но и сделали это на самом деле очень быстро.

Продолжим исследование и посмотрим, сколько памяти мы сможем выделить на этой машине с помощью программы memory3.c (упражнение 7.3). Поскольку уже понятно, что система Linux способна очень умно обходиться с запросами памяти, мы каждый раз будем выделять память по 1 Кбайт и записывать данные в каждый полученный нами блок.

Упражнение 7.3. Доступная память

Далее приведена программа memory3.c. По своей истинной природе она крайне недружественная по отношению к пользователю и может очень серьезно повлиять на многопользовательскую машину. Если вас беспокоит подобный риск, лучше совсем не запускать ее; если вы окажитесь от выполнения этой программы, усвоению материала это не повредит.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#define ONE_K (1024)

int main() {

 char *some_memory;

 int size_to_allocate = ONE_K;

 int megs_obtained = 0;

 int ks_obtained = 0;

 while (1) {

  for (ks_obtained = 0; ks_obtained < 1024; ks_obtained++) {

   some_memory = (char *)malloc(size_to_allocate);

   if (some_memory == NULL) exit(EXIT_FAILURE);

   sprintf(some_memory, "Hello World");

  }

  megs_obtained++;

  printf("Now allocated %d Megabytesn", megs_obtained);

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

На этот раз вывод, также сокращенный, выглядит следующим образом:

$ ./memory3

Now allocated 1 Megabytes

...

Now allocated 1535 Megabytes

Now allocated 1536 Megabytes

Out of Memory: Killed process 2365

Killed

После этого программа завершается. Она выполняется несколько секунд и существенно замедляется при приближении к размеру, равному объему физической памяти на компьютере, а также активно использует жесткий диск. Тем не менее программа выделяла и получала доступ к области памяти, большей по размеру объема физической памяти, которая была установлена на машине одного из авторов во время написания этой главы. В конце концов, система защищает себя от этой довольно агрессивной программы и уничтожает ее. В некоторых системах она может тихо закончить выполнение, когда функция malloc завершается аварийно.

Как это работает

Память, выделяемая приложению, управляется ядром системы Linux. Каждый раз, когда программа запрашивает память, пытается записывать в память или считывать из памяти, которая была выделена, ядро Linux решает, как обрабатывать этот запрос.

Сначала ядро может использовать свободную физическую память для удовлетворения запроса приложения на выделение памяти, но когда физическая память исчерпана, ядро начинает использовать так называемую область свопинга или подкачки. В ОС Linux это отдельная область диска, выделяемая во время инсталляции системы. Если вы знакомы с ОС Windows, функционирование области свопинга в Linux немного напоминает файл подкачки в Windows. Но в отличие от ОС Windows при написании программного кода не нужно беспокоиться ни о локальной, ни о глобальной динамической памяти (heap), ни о выгружаемых сегментах памяти — ядро Linux все организует для вас.

Ядро перемещает данные и программный код между физической памятью и областью свопинга так, что при каждом чтении из памяти или записи в нее данные кажутся находящимися в физической памяти, где бы они не находились на самом деле перед вашей попыткой обратиться к ним.