Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Говоря более профессиональным языком, система Linux реализует систему виртуальной памяти с подкачкой страниц по требованию. Вся память, видимая программами пользователя, — виртуальная, т. е. реально не существующая в физическом адресном пространстве, используемом программой. Система Linux делит всю память на страницы, обычно размером 4096 байтов. Когда программа пытается обратиться к памяти, выполняется преобразование виртуальной памяти в физическую, конкретный способ реализации которого и затрачиваемое на преобразование время зависят от конкретного оборудования, применяемого вами. Когда выполняется обращение к области памяти, физически нерезидентной, возникает ошибка страницы памяти и управление передается ядру.

Ядро Linux проверяет адрес, к которому обратилась программа, и, если это допустимый для нее адрес, определяет, какую страницу физической памяти сделать доступной. Затем оно либо выделяет память для страницы, если она еще не записывалась ни разу, либо, если страница хранится на диске в области свопинга, считывает страницу памяти, содержащую данные, в физическую память (возможно выгружая на диск имеющуюся в памяти страницу). Затем после преобразования адресов виртуальной памяти в соответствующие физические адреса ядро разрешает пользовательской программе продолжить выполнение. Приложениям в ОС Linux не нужно заботиться об этих действиях, поскольку их реализация полностью скрыта в ядре.

В итоге, когда приложение исчерпает и физическую память, и область свопинга или когда она превысит максимальный размер стека, ядро откажется выполнить запрос на дальнейшее выделение памяти, может завершить программу и выгрузить ее.

Это поведение, сопровождающееся уничтожением процесса, отличается от поведения более старых версий Linux и множества других вариантов UNIX, в которых просто аварийно завершалась функция malloc. Называется оно уничтожением из-за нехватки памяти (out of memory (OOM) killer), и хотя может показаться чересчур радикальным, на самом деле служит разумным компромиссом между возможностью быстрого и эффективного выделения памяти процессам и необходимостью собственной защиты ядра от полного исчерпания ресурсов, что является серьезной проблемой.

Но что это означает для прикладного программиста? В основном благую весть. Система Linux очень умело управляет памятью и позволяет приложениям использовать большие области памяти и даже очень большие единые блоки памяти. Но вы должны помнить о том, что выделение двух блоков памяти в результате не приведет к формированию одного непрерывно адресуемого блока памяти. Вы получите то, что просили: два отдельных блока памяти.

Означает ли этот, по-видимому, неограниченный источник памяти с последующим прерыванием и уничтожением процесса, что в проверке результата, возвращаемого функцией malloc, нет смысла? Конечно же нет. Одна из самых распространенных проблем в программах на языке С, использующих динамическую память, — запись за пределами выделенного блока. Когда это происходит, программа может не завершиться немедленно, но вы, вероятно, перезапишите некоторые внутренние данные, используемые подпрограммами библиотеки malloc.

Обычный результат — аварийное завершение последующих вызовов malloc не из- за нехватки памяти, а из-за повреждения структур памяти. Такие проблемы бывает трудно отследить, и чем быстрее в программах обнаружится ошибка, тем больше шансов найти причину. В главе 10, посвященной отладке и оптимизации, мы обсудим некоторые средства, которые могут помочь вам выявить проблемы, связанные с памятью.

Неправильное обращение к памяти

Предположим, что вы хотите сделать что-то "плохое" с памятью. В упражнении 7.4 в программе memory4.c вы выделяете некоторую область памяти, а затем пытаетесь записать данные за пределами выделенной области.

#include <stdlib.h>

#define ONE_K (1024)

int main() {

 char *some_memory;

 char *scan_ptr;

 some_memory = (char *)malloc(ONE_K);

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

 scan_ptr = some_memory;

 while (1) {

  *scan_ptr = '';

  scan_ptr++;

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вывод прост:

$ ./memory4

Segmentation fault

Как это работает

Система управления памятью в ОС Linux защищает остальную систему от подобного некорректного использования памяти. Для того чтобы быть уверенной в том, что одна плохо ведущая себя программа (как эта) не сможет повредить любые другие программы, система Linux прекратила ее выполнение.

Каждая выполняющаяся в системе Linux программа видит собственную карту распределения памяти, которая отличается от карты распределения памяти любой другой программы. Только операционная система знает, как организована физическая память и не только управляет ею в интересах пользовательских программ, но также защищает их друг от друга.

Указатель null

Современные системы Linux, в отличие от ОС MS-DOS, но подобно новейшим вариантам ОС Windows, надежно защищены от записи или чтения по адресу, на который ссылается пустой указатель (null), хотя реальное поведение системы зависит от конкретной реализации.

Выполните упражнение 7.5.

Давайте выясним, что произойдет, когда мы попытаемся обратиться к памяти по пустому или null-указателю в программе memory5a.c.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

int main() {

 char *some_memory = (char*)0;

 printf("A read from null %sn", some_memory);

 sprintf(some_memory, "A write to nulln");

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Будет получен следующий вывод:

$ ./memory5a

A read from null (null)

Segmentation fault

Как это работает

Первая функция printf пытается вывести строку, полученную от указателя null; далее sprintf пытается записать по указателю null. В данном случае Linux (под видом библиотеки GNU С) простила чтение и просто предоставила "магическую" строку, содержащую символы (null). Система не столь терпима в случае записи и просто завершила программу. Такое поведение порой полезно при выявлении программных ошибок.

Если вы повторите попытку, но не будете использовать библиотеку GNU С, вы обнаружите, что безадресное чтение не разрешено. Далее приведена программа memory5b.c:

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

int main() {

 char z = *(const char *)0;

 printf("I read from location zeron");

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вы получите следующий результат:

$ ./memory5b

Segmentation fault

В этот раз вы пытаетесь прочесть непосредственно из нулевого адреса. Между вами и ядром теперь нет GNU-библиотеки libc, и программа прекращает выполнение. Имейте в виду, что некоторые системы UNIX разрешают читать из нулевого адреса, ОС Linux этого не допускает.

Освобождение памяти

До сих пор мы выделяли память и затем надеялись на то, что по завершении программы использованная нами память не будет потеряна, К счастью, система управления памятью в ОС Linux вполне способна с высокой степенью надежности гарантировать возврат памяти в систему по завершении программы. Но большинство программ просто не хотят распределять память, используют ее очень короткий промежуток времени и затем завершаются. Гораздо более распространено динамическое использование памяти по мере необходимости.

Программы, применяющие память на динамической основе, должны всегда возвращать неиспользованную память диспетчеру распределения памяти malloc с помощью вызова free. Это позволяет выделить блоки, нуждающиеся в повторном объединении, и дает возможность библиотеке malloc следить за памятью, вместо того, чтобы заставлять приложение управлять ею. Если выполняющаяся программа (процесс) использует, а затем освобождает память, эта освободившаяся память остается выделенной процессу. За кадром система Linux управляет блоками памяти, которые программист использует как набор физических "страниц" в памяти, размером 4 Кбайт каждая. Но если страница памяти в данный момент не используется, диспетчер управления памятью ОС Linux сможет переместить ее из оперативной памяти в область свопинга (это называется обменом страниц), где она слабо влияет на потребление ресурсов. Если программа пытается обратиться к данным на странице, которая была перенесена в область свопинга, Linux на очень короткое время приостанавливает программу, возвращает страницу обратно из области свопинга в физическую память и затем разрешает программе продолжить выполнение так, будто данные все время находились в оперативной памяти.