Теория информационных систем. Страница 24.

Позиционно-независимый код в современных Unix-системах

Компиляторы современных систем семейства UNIX — GNU С или стандартный С-компилятор UNIX SVR4 имеют ключ -f PIC (Position-Independent Code). Впрочем, код, порождаемый при использовании этого ключа, не является позиционно-независимым в указанном выше смысле: этот код все-таки содержит перемещаемые адресные ссылки. Задача состоит не в том, чтобы избавиться от таких ссылок полностью, а лишь в том, чтобы собрать все эти ссылки в одном месте и разместить их, по возможности, отдельно от кода. Какая от этого польза, мы поймем несколько позже, а сейчас обсудим технические приемы, используемые для решения этой задачи.

Код, генерируемый GNU С, использует базовую адресацию: в начале функции адрес точки ее входа помещается в один из регистров, и далее вся адресация других функций и данных осуществляется относительно этого регистра. На процессоре х86 используется регистр %ebx, а загрузка адреса осуществляется командами, вставляемыми в пролог каждой функции (пример 3.6).

На процессорах, где разрешен прямой доступ к счетчику команд, соответствующий код выглядит проще, но принцип сохраняется: компилятор занимает один регистр и благодаря этому упрощает работу загрузчику.

Как мы видим в примере 3.7, на самом деле адресация происходит не относительно точки входа в функцию, а относительно некоторого объекта, называемого GOT или GLOBAL_OFFSET_TABLE. Счетчик команд используется для вычисления адреса этой таблицы, а не сам по себе. Подробнее мы разберемся с логикой работы этого кода (и заодно с тем, что означает еще один непонятный символ — PLT).

Компилированный таким образом код предназначен в первую очередь для разделяемых библиотек формата ELF (Executable and Linking Format, формат исполняемых и собираемых [модулей], используемый большинством современных систем семейства Unix).

Оверлеи (перекрытия)

Еще более интересный способ загрузки программы — это оверлейная загрузка (over-lay, лежащий сверху) или, как это называли в старой русскоязычной литературе, перекрытие. Смысл оверлея состоит в том, чтобы не загружать программу в память целиком, а разбить ее на несколько модулей и помещать их в память по мере необходимости. При этом на одни и те же адреса в различные моменты времени будут отображены разные модули (рис. 3.7). Отсюда и название.

Образ процесса с несколькими оверлеями

Потребность в таком способе загрузки появляется, если у нас виртуальное адресное пространство мало, например 1 Мбайт или даже всего 64 Кбайт (на некоторых машинах с RT-11 бывало и по 48 Кбайт, и многие полезные программы нормально работали!), а программа относительно велика. На современных 32-разрядных системах виртуальное адресное пространство обычно измеряется гигабайтами, и большинству программ этого хватает, а проблемы с нехваткой можно решать совсем другими способами. Тем не менее, существуют различные системы, даже и 32-разрядные, в которых нет устройства управления памятью, и размер виртуальной памяти не может превышать объема микросхем ОЗУ, установленных на плате. Пример такой системы — упоминавшийся выше транспьютер.

Важно подчеркнуть, что, несмотря на определенное сходство между задачами, решаемыми механизмом перекрытий и виртуальной адресацией, одно ни в коем случае не является разновидностью другого. При виртуальной адресации мы решаем задачу отображения большого адресного пространства на ограниченную оперативную память. При использовании оверлея мы решаем задачу отображения большого количества объектов в ограниченное адресное пространство.

Основная проблема при оверлейной загрузке состоит в следующем: прежде чем ссылаться на оверлейный адрес, мы должны понять, какой из оверлейных модулей в данный момент там находится. Для ссылок на функции это просто: вместо точки входа функции мы вызываем некую процедуру, называемую менеджером перекрытий (overlay manager). Эта процедура знает, какой модуль куда загружен, и при необходимости "подкачивает" то, что загружено не было. Перед каждой ссылкой на оверлейные данные мы должны выполнять аналогичную процедуру, что намного увеличивает и замедляет программу. Иногда такие действия возлагаются на программиста (Win 16, Mac OS до версии 10 — подробнее управление памятью в этих системах описывается в разд. Иногда — на компилятор (handle pointer в Zortech C/C++ для MS DOS), но чаще всего с оверлейными данными вообще предпочитают не иметь дела. В таком случае оверлейным является только код.

В старых учебниках по программированию и руководствах по операционным системам уделялось много внимания тому, как распределять процедуры между оверлейными модулями. Действительно, загрузка модуля с диска представляет собой довольно длительный процесс, поэтому хотелось бы минимизировать ее. Для этого нужно, чтобы каждый оверлейный модуль был как можно более самодостаточным. Если это невозможно, стараются вынести процедуры, на которые ссылаются из нескольких оверлеев, в отдельный модуль, называемый резидентной частью или резидентным ядром. Это модуль, который всегда находится в памяти и не разделяет свои адреса ни с каким другим оверлеем. Естественно, оверлейный менеджер должен быть частью этого ядра.

Каждый оверлейный модуль может быть как абсолютным, так и перемещаемым. От этого несколько меняется устройство менеджера, но не более того. На архитектурах типа i80x86 можно делать оверлейные модули, каждый из которых адресуется относительно значения базового регистра cs и ссылается на данные, статически размещенные в памяти, относительно постоянного значения регистра DS. Такие модули можно загружать в память с любого адреса, может быть, даже вперемежку с данными. Именно так и ведут себя оверлейные менеджеры компиляторов Borland и Zortech.