प्रक्रिया स्मृति संगठन

मेमोरी प्रबंधन ऑपरेटिंग सिस्टम में एक केंद्रीय पहलू है। यह प्रोग्रामिंग और सिस्टम प्रशासन पर मौलिक प्रभाव डालता है। अगले कुछ पदों में मैं स्मृति के काम से जुड़े मुद्दों पर बात करूंगा। जोर व्यावहारिक पहलुओं पर होगा, हालांकि, हम आंतरिक डिवाइस के विवरण की उपेक्षा नहीं करेंगे। विचाराधीन अवधारणाएं काफी सामान्य हैं, लेकिन मुख्य रूप से x86-32 कंप्यूटर पर चलने वाले लिनक्स और विंडोज के उदाहरण से स्पष्ट होती हैं। पहली पोस्ट उपयोगकर्ता प्रक्रियाओं के मेमोरी संगठन का वर्णन करती है।

मल्टी-टास्किंग ओएस में प्रत्येक प्रक्रिया को अपने सैंडबॉक्स में निष्पादित किया जाता है। यह सैंडबॉक्स एक वर्चुअल एड्रेस स्पेस है , जिसमें 32-बिट संरक्षित मोड में हमेशा 4 गीगाबाइट का आकार होता है । वर्चुअल स्पेस और फिजिकल मेमोरी के बीच के पत्राचार को एक पेज टेबल का उपयोग करके वर्णित किया गया है। कर्नेल तालिकाओं को बनाता है और उन्हें पॉप्युलेट करता है, और प्रोसेसर एड्रेस एक्सेस करने के लिए आवश्यक होने पर उन्हें एक्सेस करता है। प्रत्येक प्रक्रिया अपने स्वयं के तालिकाओं के सेट के साथ काम करती है। एक महत्वपूर्ण बिंदु है - वर्चुअल एड्रेसिंग की अवधारणा कर्नेल सहित सभी चल रहे सॉफ़्टवेयर तक फैली हुई है । इस कारण से, वर्चुअल एड्रेस स्पेस (तथाकथित कर्नेल स्पेस) का एक हिस्सा इसके लिए आरक्षित है।

यह, ज़ाहिर है, इसका मतलब यह नहीं है कि कर्नेल इस सभी स्थान पर कब्जा कर लेता है, बस इस पते की श्रेणी का उपयोग कर्नेल की पसंद के भौतिक पता स्थान के किसी भी हिस्से को मैप करने के लिए किया जा सकता है। कर्नेल स्थान से संबंधित मेमोरी पेज विशेष रूप से विशेषाधिकार प्राप्त कोड (रिंग 2 या अधिक विशेषाधिकार प्राप्त) के लिए पृष्ठ तालिकाओं में चिह्नित किए जाते हैं। जब आप इन पृष्ठों को उपयोगकर्ता मोड कोड से एक्सेस करने का प्रयास करते हैं, तो पृष्ठ दोष उत्पन्न होता है। लिनक्स के मामले में, कर्नेल स्पेस हमेशा प्रोसेस मेमोरी में मौजूद होता है, और विभिन्न प्रोसेस भौतिक मेमोरी के एक ही एरिया में कर्नेल स्पेस को मैप करते हैं। इस प्रकार, कर्नेल कोड और डेटा हमेशा उपलब्ध होता है जब एक व्यवधान या सिस्टम कॉल को संभालना आवश्यक होता है। इसके विपरीत, हर बार जब संदर्भ स्विच किया जाता है, तो उपयोगकर्ता मोड स्थान में रैंडम एक्सेस मेमोरी मैप की जाती है।



आकृति में नीला रंग आभासी पता स्थान के क्षेत्रों को इंगित करता है, जो भौतिक स्मृति वर्गों के अनुरूप है; सफेद में - अभी तक उपयोग नहीं किए गए क्षेत्र। जैसा कि आप देख सकते हैं, फ़ायरफ़ॉक्स ने अपने अधिकांश वर्चुअल एड्रेस स्पेस का इस्तेमाल किया। रैम के संदर्भ में हम सभी इस कार्यक्रम की पौराणिक झलक के बारे में जानते हैं। चित्रा में नीली पट्टियाँ प्रोग्राम मेमोरी सेगमेंट हैं , जैसे कि ढेर, स्टैक, और इसी तरह। कृपया ध्यान दें कि इस मामले में खंडों से हमारा मतलब है कि बस निरंतर पता पर्वतमाला। ये वे खंड नहीं हैं जिनके बारे में हम इंटेल प्रोसेसर में विभाजन का वर्णन करते समय बात करते हैं। एक तरह से या किसी अन्य, यहाँ लिनक्स पर मानक प्रक्रिया मेमोरी संगठन योजना है:



एक बार, जब कंप्यूटर प्रौद्योगिकी अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में थी, तब मशीन द्वारा निष्पादित लगभग सभी प्रक्रियाओं के लिए खंडों के प्रारंभिक आभासी पते बिल्कुल समान थे। इस वजह से, कमजोरियों का दूरस्थ शोषण बहुत सरल हो जाता है। एक शोषण को अक्सर पूर्ण पते पर स्मृति तक पहुंचने की आवश्यकता होती है, जैसे कि स्टैक पर कुछ पते पर, एक लाइब्रेरी फ़ंक्शन के पते पर और जैसे। एक हैकर जो एक दूरस्थ हमले को अंजाम देना चाहता है, उसे इस उम्मीद में अंधे संपर्क के पते चुनने चाहिए कि विभिन्न मशीनों पर मेमोरी में प्रोग्राम सेगमेंट का प्लेसमेंट समान होगा। और जब यह वास्तव में समान होता है, तो ऐसा होता है कि लोग हैक करते हैं। इस कारण से, एक प्रक्रिया के पते स्थान में खंडों के स्थान को यादृच्छिक बनाने के लिए एक तंत्र ने लोकप्रियता हासिल की है। लिनक्स स्टैक के स्थान को रैंडम करता है, मेमोरी मैपिंग के लिए सेगमेंट , और ढेर - उनके शुरुआती पते की गणना एक ऑफसेट जोड़कर की जाती है। दुर्भाग्य से, 32-बिट स्पेस बहुत बड़ी नहीं है, और यादृच्छिककरण की दक्षता कुछ हद तक समतल है ।

उपयोगकर्ता मोड स्थान के शीर्ष पर स्टैक सेगमेंट है। अधिकांश प्रोग्रामिंग भाषाएं स्थानीय चर और तर्कों को किसी फ़ंक्शन में संग्रहीत करने के लिए इसका उपयोग करती हैं। किसी फ़ंक्शन या विधि के लिए कॉल तथाकथित स्टैक का कारण बनता है स्टैक फ्रेम । जब फ़ंक्शन वापस आता है, तो स्टैक फ़्रेम नष्ट हो जाता है। स्टैक पर्याप्त सरल है - डेटा "पिछले आओ - पहले पाओ" (LIFO) के सिद्धांत के अनुसार संसाधित किया गया है। इस कारण से, स्टैक की सामग्री की निगरानी के लिए जटिल नियंत्रण संरचनाओं की आवश्यकता नहीं है - स्टैक के शीर्ष पर बस एक सूचक पर्याप्त है। स्टैक में डेटा जोड़ना और इसे हटाना एक त्वरित और अच्छी तरह से परिभाषित ऑपरेशन है। इसके अलावा, स्टैक सेगमेंट के समान क्षेत्रों का बार-बार उपयोग इस तथ्य की ओर जाता है कि वे आमतौर पर प्रोसेसर कैश में स्थित होते हैं, जो आगे पहुंच को गति देते हैं। प्रक्रिया के भीतर प्रत्येक धागा अपने स्वयं के स्टैक के साथ काम करता है।

यह संभव है कि स्टैक सेगमेंट के लिए आवंटित स्थान जोड़े जा रहे डेटा को समायोजित न कर सके। नतीजतन, एक पेज फॉल्ट उत्पन्न होगा, जो कि Linux पर विस्तार_स्टैक () फ़ंक्शन द्वारा नियंत्रित किया जाता है। यह बदले में, एक अन्य फ़ंक्शन को कॉल करेगा - acct_stack_growth () , जो स्टैक सेगमेंट को बढ़ाने की क्षमता की जांच करने के लिए जिम्मेदार है। यदि स्टैक सेगमेंट का आकार RLIMIT_STACK स्थिर (आमतौर पर 8 एमबी) के मान से कम है, तो यह बढ़ता है, और कार्यक्रम चलता रहता है जैसे कि कुछ भी नहीं हुआ था। यह मानक तंत्र है जिसके द्वारा स्टैक सेगमेंट का आकार जरूरतों के अनुसार बढ़ता है। हालाँकि, यदि स्टैक सेगमेंट का अधिकतम अनुमत आकार पहुँच गया है, तो स्टैक ओवरफ़्लो होता है, और एक सेगमेंटेशन फ़ॉल्ट सिग्नल प्रोग्राम को भेजा जाता है। यदि आवश्यक हो तो स्टैक सेगमेंट बढ़ सकता है, लेकिन कभी भी सिकुड़ता नहीं है, भले ही इसमें मौजूद स्टैक संरचना छोटी हो जाए। संघीय बजट की तरह, स्टैक सेगमेंट केवल बढ़ सकता है।

डायनामिक स्टैक ग्रोथ एकमात्र ऐसी स्थिति है जब "अनमैप्ड" मेमोरी क्षेत्र तक पहुंच को वैध ऑपरेशन माना जा सकता है। किसी भी अन्य पहुंच के परिणामस्वरूप एक पृष्ठ दोष होगा जिसके बाद सेगमेंटेशन फ़ॉल्ट होगा। उपयोग किए गए कुछ क्षेत्रों को केवल पढ़ने के लिए चिह्नित किया जाता है, और उन्हें एक्सेस करने से सेगमेंटेशन फॉल्ट भी होता है।

स्टैक के तहत मेमोरी मैपिंग के लिए एक सेगमेंट है। कर्नेल इस सेगमेंट का उपयोग फ़ाइलों की सामग्री को मैप (मेमोरी में मैप करने) के लिए करता है। कोई भी एप्लिकेशन विंडोज पर एमएमएपी () सिस्टम कॉल ( एमएमएपी कॉल कार्यान्वयन के विवरण के लिए एक लिंक ) या CreateFileMapping () / MapViewOfFile () के माध्यम से इस कार्यक्षमता का उपयोग कर सकता है। स्मृति के लिए फ़ाइलों को मैप करना एक सुविधाजनक और उच्च-प्रदर्शन फ़ाइल I / O विधि है, और इसका उपयोग, उदाहरण के लिए, गतिशील पुस्तकालयों को लोड करने के लिए किया जाता है। अनाम मेमोरी मैपिंग की संभावना है, जिसके परिणामस्वरूप हमें एक ऐसा क्षेत्र मिलता है जिसमें कोई फ़ाइल मैप नहीं की जाती है, और जिसका उपयोग प्रोग्राम के साथ काम करने वाले सभी प्रकार के डेटा को रखने के लिए किया जाता है। यदि लिनक्स पर आप मॉलॉक () का उपयोग करके मेमोरी के एक बड़े ब्लॉक के आवंटन का अनुरोध करते हैं, तो ढेर पर मेमोरी आवंटित करने के बजाय, मानक सी लाइब्रेरी एक अनाम मानचित्रण तंत्र का उपयोग करता है। इस मामले में "बड़े" शब्द का अर्थ है, निरंतर MMAP_THRESHOLD के मूल्य से अधिक बाइट्स में एक मूल्य। डिफ़ॉल्ट रूप से, यह मान 128 kB है, और इसे मॉलॉप्ट () में कॉल के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है।

ढेर की बात। यह प्रक्रिया के पते स्थान के हमारे विवरण में आगे जाता है। स्टैक की तरह, प्रोग्राम निष्पादन के दौरान मेमोरी को आवंटित करने के लिए हीप का उपयोग किया जाता है। स्टैक के विपरीत, ढेर पर आवंटित मेमोरी को उस फ़ंक्शन के बाद सहेजा जाएगा जो इस मेमोरी के आवंटन का कारण बनता है। अधिकांश भाषाएँ ढेर स्मृति नियंत्रण प्रदान करती हैं। इस प्रकार, भाषा का कर्नेल और रनटाइम गतिशील रूप से अतिरिक्त मेमोरी आवंटित करते हैं। सी में, ढेर के साथ काम करने के लिए इंटरफ़ेस कार्यों का मॉलॉक () परिवार है, जबकि ऐसी भाषाएं जो कचरा संग्रह का समर्थन करती हैं, जैसे सी #, मुख्य इंटरफ़ेस नया ऑपरेटर है।

यदि वर्तमान हीप आकार आपको स्मृति की अनुरोधित राशि को आवंटित करने की अनुमति देता है, तो कर्नेल को शामिल किए बिना आवंटन को रनटाइम का उपयोग करके बनाया जा सकता है। अन्यथा, आवश्यक के रूप में हीप को बढ़ाने के लिए मॉलॉक () फ़ंक्शन brk () सिस्टम कॉल का उपयोग करता है ( brk कॉल कार्यान्वयन प्रणाली के लिए लिंक )। ढेर पर मेमोरी का प्रबंधन एक गैर - तुच्छ कार्य है , जिसके समाधान के लिए जटिल एल्गोरिदम का उपयोग किया जाता है। ये एल्गोरिदम हमारे कार्यक्रमों में अप्रत्याशित और अराजक मेमोरी आवंटन पैटर्न की स्थितियों में उच्च गति और दक्षता हासिल करने का प्रयास करते हैं। ढेर पर स्मृति आवंटित करने के लिए प्रत्येक अनुरोध के लिए लिया गया समय नाटकीय रूप से अलग हो सकता है। इस समस्या को हल करने के लिए, रीयल-टाइम सिस्टम विशेष मेमोरी एलोकेटर का उपयोग करते हैं । ढेर भी विखंडन के अधीन है, जो, उदाहरण के लिए, आकृति में दिखाया गया है:



अंत में, हम प्रक्रिया पता स्थान के नीचे स्थित खंडों के पास गए: बीएसएस, डेटा खंड (डेटा खंड) और कोड खंड (पाठ खंड)। BSS और डेटा खंड, C में स्रोत कोड में स्थिर चर के अनुसार डेटा संग्रहीत करता है। अंतर यह है कि BSS बिना किसी वैरिएबल चर के डेटा को संग्रहीत करता है, जिनके मान स्रोत कोड में स्पष्ट रूप से निर्दिष्ट नहीं हैं ( वास्तव में, ऑब्जेक्ट वहां संग्रहीत किए जाते हैं जो आप उन्हें बनाते हैं। चर घोषणा या तो स्पष्ट रूप से शून्य मान को इंगित करती है, या मूल्य शुरू में निर्दिष्ट नहीं है, और लिंक की गई फ़ाइलों में समान सामान्य वर्ण नहीं है, गैर-शून्य मान के साथ। - नोट अनुवाद। )। अनाम मेमोरी मैपिंग का उपयोग BSS सेगमेंट के लिए किया जाता है, अर्थात इस खंड में कोई फ़ाइल मैप नहीं की गई है। यदि C स्रोत फ़ाइल में int cntActiveUsers का उपयोग किया जाता है, तो बीएसएस में संबंधित वस्तु के लिए स्थान आवंटित किया जाएगा।

BSS के विपरीत, डेटा खंड उन वस्तुओं को संग्रहीत करता है जो स्रोत कोड में गैर-शून्य मान के साथ आरंभिक स्थिर चर की घोषणा के अनुरूप हैं। यह मेमोरी सेगमेंट अनाम नहीं है - प्रोग्राम इमेज का एक हिस्सा इसमें मैप किया गया है। इस प्रकार, यदि हम स्थैतिक int cntWorkerBees = 10 का उपयोग करते हैं, तो डेटा खंड में संबंधित वस्तु के लिए स्थान आवंटित किया जाएगा, और यह मान को संग्रहीत करेगा 10. यद्यपि डेटा खंड में एक फ़ाइल प्रदर्शित होती है, यह तथाकथित है। "प्राइवेट मैपिंग" (निजी मेमोरी मैपिंग) । इसका अर्थ है कि इस सेगमेंट में डेटा परिवर्तन संबंधित फ़ाइल की सामग्री को प्रभावित नहीं करेगा। ऐसा होना चाहिए, अन्यथा वैश्विक चर के मानों को असाइन करने से डिस्क पर संग्रहीत फ़ाइल की सामग्री में बदलाव होगा। इस मामले में, यह बिल्कुल आवश्यक नहीं है!

संकेत के साथ, चीजें थोड़ी अधिक जटिल हैं। हमारे आरेखों से उदाहरण में, गोंजो चर के अनुरूप वस्तु की सामग्री - यह एक 4-बाइट पता है - डेटा खंड में स्थित है। लेकिन पॉइंटर द्वारा संदर्भित लाइन डेटा सेगमेंट में नहीं आती है। स्ट्रिंग कोड के एक खंड में होगी जो केवल पढ़ने के लिए है और आपके सभी कोड और ऐसे trifles को संग्रहीत करता है, उदाहरण के लिए, स्ट्रिंग शाब्दिक ( वास्तव में, स्ट्रिंग को .rodata अनुभाग में संग्रहीत किया जाता है, जो निष्पादन कोड वाले अन्य अनुभागों के साथ माना जाता है। एक ऐसा खंड जो कोड / रीड डेटा - लगभग अनुवाद को निष्पादित करने के अधिकारों के साथ मेमोरी में लोड किया गया है । निष्पादन योग्य फ़ाइल का एक भाग कोड सेगमेंट में भी मैप किया जाता है। यदि आपका प्रोग्राम टेक्स्ट सेगमेंट में लिखने की कोशिश करता है, तो सेगमेंटेशन फॉल्ट काम करेगा। यह आपको "बाज़नीह" पॉइंटर्स से निपटने की अनुमति देता है, हालांकि उनके साथ निपटने का सबसे अच्छा तरीका सी को बिल्कुल भी नहीं है। निम्नलिखित एक आरेख है जो हमारे उदाहरणों से खंडों और चर दिखा रहा है।



हम देख सकते हैं कि कैसे / प्रक्रिया / pid_of_process / मैप्स फ़ाइल की सामग्री को पढ़कर मेमोरी क्षेत्रों का उपयोग किया जाता है। कृपया ध्यान दें कि खंड की सामग्री में ही विभिन्न क्षेत्र शामिल हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, मेमोरी मैपिंग सेगमेंट में मैप की गई प्रत्येक डायनेमिक लाइब्रेरी का अपना क्षेत्र होता है, और आप इसमें BSS और लाइब्रेरी के डेटा सेगमेंट के लिए क्षेत्रों का चयन कर सकते हैं। अगली पोस्ट में हम बताएंगे कि वास्तव में "क्षेत्र" शब्द का क्या अर्थ है। ध्यान रखें कि कभी-कभी लोग "डेटा खंड" कहते हैं, जिसका अर्थ डेटा + बीएसएस + ढेर है।

द्विआधारी निष्पादन योग्य छवियों की सामग्री: वर्ण, उनके पते, खंड, आदि को देखने के लिए आप एनएम और objdump उपयोगिताओं का उपयोग कर सकते हैं। अंत में, इस पोस्ट में जो वर्णन किया गया है, वह प्रक्रिया मेमोरी (लचीली मेमोरी लेआउट) का तथाकथित "लचीला" संगठन है, जिसका उपयोग कई वर्षों से लिनक्स में डिफ़ॉल्ट रूप से किया जाता है। यह योजना मानती है कि हमने निरंतर RLIMIT_STACK के मूल्य को परिभाषित किया है। जब ऐसा नहीं होता है, तो लिनक्स तथाकथित का उपयोग करता है शास्त्रीय संगठन, जिसे आकृति में दिखाया गया है:



खैर, यह सब है। इस पर, प्रक्रिया मेमोरी को व्यवस्थित करने के बारे में हमारी बात पूरी हो गई है। अगली पोस्ट में, हम विचार करेंगे कि कर्नेल वर्णित मेमोरी क्षेत्रों के आकारों को कैसे ट्रैक करता है। हम मैपिंग के मुद्दे पर भी बात करेंगे, फाइलों को पढ़ना और लिखना क्या है, इसके साथ क्या करना है, और मेमोरी के उपयोग के बारे में बताने वाले नंबर क्या हैं।

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