Операционная система UNIX

Информация, содержащаяся в таблице заголовков программы, указывает ядру, как создать образ процесса из сегментов. Большинство сегментов копируются (отображаются) в память и представляют собой соответствующие сегменты процесса при его выполнении, например, сегменты кода или данных.

Каждый заголовок сегмента программы описывает один сегмент и содержит следующую информацию:

 Тип сегмента и действия операционной системы с данным сегментом

 Расположение сегмента в файле

 Стартовый адрес сегмента в виртуальной памяти процесса

 Размер сегмента в файле

 Размер сегмента в памяти

 Флаги доступа к сегменту (запись, чтение, выполнение)

Часть сегментов имеет тип LOAD, предписывающий ядру при запуске программы на выполнение создать соответствующие этим сегментам структуры данных, называемые областями, определяющие непрерывные участки виртуальной памяти процесса и связанные с ними атрибуты. Сегмент, расположение которого в ELF-файле указано в соответствующем заголовке программы, будет отображен в созданную область, виртуальный адрес начала которой также указан в заголовке программы. К сегментам такого типа относятся, например, сегменты, содержащие инструкции программы (код) и ее данные. Если размер сегмента меньше размера области, неиспользованное пространство может быть заполнено нулями. Такой механизм, в частности используется при создании неинициализированных данных процесса (BSS). Подробнее об областях мы поговорим в главе 3.

В сегменте типа INTERP хранится программный интерпретатор. Данный тип сегмента используется для программ, которым необходимо динамическое связывание. Суть динамического связывания заключается в том, что отдельные компоненты исполняемого файла (разделяемые объектные файлы) подключаются не на этапе компиляции, а на этапе запуска программы на выполнение. Имя файла, являющегося динамическим редактором связей, хранится в данном сегменте. В процессе запуска программы на выполнение ядро создает образ процесса, используя указанный редактор связей. Таким образом, первоначально в память загружается не исходная программа, а динамический редактор связей. На следующем этапе динамический редактор связей совместно с ядром UNIX создают полный образ исполняемого файла. Динамический редактор загружает необходимые разделяемые объектные файлы, имена которых хранятся в отдельных сегментах исходного исполняемого файла, и производит требуемое размещение и связывание. В заключение управление передается исходной программе.

Наконец, завершает файл таблица заголовков разделов или секций (section). Разделы (секций) определяют разделы файла, используемые для связывания с другими модулями в процессе компиляции или при динамическом связывании. Соответственно, заголовки содержат всю необходимую информацию для описания этих разделов. Как правило разделы содержат более детальную информацию о сегментах. Так, например, сегмент кода может состоять из нескольких разделов, таких как хэш-таблица для хранения индексов используемых в программе символов, раздел инициализационного кода программы, таблица связывания, используемая динамическим редактором, а также раздел, содержащий собственно инструкции программы.

Мы еще вернемся к формату ELF в главе 3 при обсуждении организации виртуальной памяти процесса, а пока перейдем к следующему распространенному формату — COFF.

Формат COFF

На рис. 2.5 приведена структура исполняемого файла формата COFF. Исполняемый файл содержит два основных заголовка — заголовок COFF и стандартный заголовок системы UNIX — a.out. Далее следуют заголовки разделов и сами разделы файла, в которых хранятся инструкции и данные программы. Наконец, в файле также хранится символьная информация, необходимая для отладки.

Рис. 2.5. Структура исполняемого файла в формате COFF

В файле находятся только инициализированные данные. Поскольку неинициализированные данные всегда заполняются нулями при загрузке программы на выполнение, для них необходимо хранить только размер и расположение в памяти.

Символьная информация состоит из таблицы символов (symbol table) и таблицы строк (string table). В первой таблице хранятся символы, их адреса и типы. Например, мы можем определить, что символ locptr является указателем и его виртуальный адрес равен 0x7feh0. Далее, используя этот адрес, мы можем выяснить значение символа для выполняющегося процесса. Записи таблицы символов имеют фиксированный размер. Если длина символа превышает восемь знаков, его имя хранится во второй таблице — таблице строк. Обычно обе эти таблицы присутствуют в объектных и исполняемых файлах, если они явно не удалены, например, командой strip(1).

Как и в случае ELF-файла, заголовок содержит общую информацию, позволяющую определить местоположение остальных компонентов (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Поля заголовка COFF-файла

Поле	Описание
f_magic	Аппаратная платформа, для которой создан файл
f_nscns	Количество разделов в файле
f_timdat	Время и дата создания файла
f_symptr	Расположение таблицы символов в файле
f_nsyms	Количество записей в таблице символов
f_opthdr	Размер заголовка
f_flags	Флаги, указывающие на тип файла, присутствие символьной информации и т.д.

Заголовок COFF присутствует в исполняемых файлах, промежуточных объектных файлах и библиотечных архивах. Каждый исполняемый файл кроме заголовка COFF содержит заголовок a.out, хранящий информацию, необходимую ядру системы для запуска программы [16] (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Поля заголовка a.out

Поле	Описание
vstamp	Номер версии заголовка
tsize	Размер раздела инструкций (text)
dsize	Размер инициализированных данных (data)
bsize	Размер неинициализированных данных (bss)
entry	Точка входа программы
text_start	Адрес в начала сегмента инструкций виртуальной памяти
data_start	Адрес в начала сегмента данных виртуальной памяти

16

В SCO UNIX заголовок a.out самого ядра используется программой начальной загрузки /boot для запуска ядра и передачи ему управления при инициализации системы.

Все файлы формата COFF имеют один или более разделов, каждый из которых описывается своим заголовком. В заголовке хранится имя раздела (.text, .data, .bss или любое другое, установленное соответствующей директивой ассемблера), размер раздела, его расположение в файле и виртуальной адрес после запуска программы на выполнение. Заголовки разделов следуют сразу за заголовком файла.

Таблицы символов и строк являются основой системы отладки. Символом является любая переменная, имя функции или метка, определенные в программе.

Каждая запись в таблице символов хранит имя символа, его виртуальный адрес, номер раздела, в котором определен символ, тип, класс хранения (автоматический, регистровый и т.д.). Если имя символа занимает больше восьми байт, то оно хранится в таблице строк. В этом случае в поле имени символа указывается смещение имени символа в таблице строк.

С помощью символьной информации можно определить виртуальный адрес некоторого символа. Одним из очевидных применений этой возможности является использование символьной информации в программах- отладчиках. Эта возможность используется некоторыми программами, например, утилитой ps(1), отображающей состояние процессов в системе.

Выполнение программы в операционной системе UNIX

Выполнение программы начинается с создания в памяти ее образа и связанных с процессом структур ядра операционной системы, инициализации и передаче управления инструкциям программы. Завершение программы ведет к освобождению памяти и соответствующих структур ядра. Образ программы в памяти содержит, как минимум, сегменты инструкций и данных, созданные компилятором, а также стек для хранения автоматических переменных при выполнении программы.