Операционная система UNIX

 Размещение в памяти каталога страниц и таблиц страниц; инициализация регистра — указателя на каталог таблиц страниц (для Intel — CR3) (в системах, использующих несколько каталогов страниц, каждый процесс хранит в u-area значение этого регистра; в этом случае инициализацию указателя необходимо проводить при каждом переключении контекста); инициализация каталога страниц.

 Установка отображения путем записи соответствующих значений в таблицы страниц.

Обработка страничных ошибок.

 Управление сверхоперативным кэшем.

 Обеспечение обмена страницами между оперативной и вторичной памятью.

В реализации перечисленных функций существенную роль играют структуры данных, обеспечивающие удобное представление адресного пространства процесса для операционной системы. Фактический формат этих структур существенным образом зависит от аппаратной архитектуры и версии UNIX, поэтому в следующих разделах для иллюстрации тех или иных положений также использована операционная система SCO UNIX.

Области

В SCO UNIX адресное пространство процесса разделено на несколько участков, называемых областями (region). Область представляет собой непрерывный участок виртуального адресного пространства процесса, который рассматривается ядром системы как отдельный объект, разделяемый или защищенный от постороннего доступа. Область может использоваться для хранения данных различных типов, включая код, данные, разделяемую память, сегменты библиотек и отображаемые в память файлы. Каждая активная область представлена соответствующей структурой данных ядра и служит основой для управления памятью процесса.

Каждая область представлена собственным сегментом памяти. В совокупности со страничным механизмом организации виртуальной памяти такой подход предоставляет ядру системы большие возможности по эффективному управлению виртуальной памятью процесса.

Области могут совместно использоваться несколькими процессами, при этом ядру нет необходимости создавать дополнительные копии, нужно лишь задать требуемое отображение (виртуальные адреса области у различных процессов могут не совпадать). В качестве примеров разделяемых областей можно привести разделяемую память, разделяемые библиотеки или отображаемые в память файлы. Часто код программы совместно используется несколькими родственными процессами. Информация о каждой активной области хранится ядром в структуре данных region.

Поскольку одна и та же область может использоваться несколькими процессами, для каждого процесса ядро создает связанный список структур pregion (per process region), которые в свою очередь адресуют области, используемые процессом. Указатель на список структур pregion для каждого процесса находится в записи таблицы процессов — структуре proc.

Основные поля структур region и pregion приведены на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Управление адресным пространством процесса в SCO UNIX

Помимо указателей p_next, организующих структуры pregion в виде связанного списка, и p_reg, обеспечивающих адресацию соответствующей структуры region, в каждой структуре pregion определен набор флагов определяющий права доступа к области, режим блокирования в памяти и т.д. Поле p_type указывает на тип области. Оно может содержать одно из следующих значений:

Значение	Описание
PT_UNUSED	Область не используется
PT_TEXT	Область содержит сегмент кода
PT_DATA	Область содержит сегмент данных
PT_STACK	Область используется в качестве стека процесса
PT_SHMEM	Область используется в качестве разделяемой памяти
PT_LIBTXT	Область содержит код библиотек
PT_LIBDAT	Область содержит данные библиотек
PT_SHFIL	Область используется для хранения файла, отображенного в память

Наконец, поле p_regva задает виртуальный адрес области в адресном пространстве процесса.

Поля структуры region, приведенные на рис. 3.10, имеют следующие значения. Поле r_pgsz определяет размер области в страницах, из которых r_nvalid страниц присутствуют в оперативной памяти (см. далее раздел "Страничное замещение"). Несколько процессов могут ссылаться на одну и ту же область, поле r_refcnt хранит число таких ссылок. Поле r_pde адресует таблицу страниц области [33] . Поле r_iptr адресует inode файла, где располагаются данные области (например, для области кода, r_iptr будет указывать на inode исполняемого файла).

33

Для областей, размер которых превышает 4 Мбайт, одной таблицы страниц недостаточно, и region хранит элементы каталога таблиц страниц в виде связанного списка.

Фактическую информацию о структурах управления адресным пространством процесса можно получить с помощью команды crash(1M). В следующем примере таким образом определяется содержимое структур pregion процесса и характеристики соответствующих областей.

 # crash
 dumpfile = /dev/mem, namelist = /unix, outfile = stdout
 > pregion 101
 SLOT PREG REG# REGVA TYPE FLAGS
  101 0 12 0x700000 text rdonly
  1 22 0x701000 data
  2 23 0x7ffffffc stack
  3 145 0x80001000 lbtxt rdonly
  4 187 0x80031000 lbdat pr

Как можно увидеть из вывода команды crash(1М), с рассматриваемым процессом связаны пять областей: сегмент кода, данных и стека, а также сегменты кода и данных подключенной библиотеки. Столбец REG# определяет запись таблицы областей, где расположена адресуемая каждой pregion область region. Заметим, что значение в столбце REG# лишь отчасти соответствует полю p_reg структуры pregion, поскольку последнее является указателем, а не индексом таблицы. Столбец REGVA содержит значения виртуальных адресов областей.

С помощью полученной информации мы можем более детально рассмотреть любую из областей процесса. Выведем данные о сегментах кода, данных и стека:

 >region 12 22 23
 SLOT PGSZ VALID SMEM NONE SOFF KEF SWP NSW FORW BACK INOX TYPE FLAGS
  12 1 1 1 0 0 11 0 0 15 5 154 stxt done
  22 3 1 0 0 0 1 0 0 238 23 154 priv done
  23 2 1 1 0 0 1 0 0 135 24 priv stack

Столбец PGSZ определяет размер области в страницах, а столбец VALID — число страниц этой области, находящихся в оперативной памяти. Как можно заметить, для сегментов данных и стека страниц недостаточно, поэтому может возникнуть ситуация, когда процессу потребуется обращение к адресу, в настоящее время отсутствующему в памяти. Заметим также, что столбец INOX содержит индексы таблиц inode, указывающие на метаданные файлов, откуда было загружено содержимое соответствующих сегментов.