Основы программирования в Linux

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.

  #include <stdlib.h>
  void free(void *ptr_to_memory);

Вызов free следует выполнять только с указателем на память, выделенную с помощью вызова malloc, calloc или realloc. Очень скоро вы встретитесь с функциями calloc и realloc. А сейчас выполните упражнение 7.6.

Упражнение 7.6. Освобождение памяти

Эта программа называется memory6.c.

 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>
 #define ONE_K (1024)

 int main {
  char *some_memory;
  int exit code = EXIT_FAILURE;
  some_memory = (char*)malloc(ONE_K);
  if (some_memory != NULL) {
  free(some_memory);
  printf("Memory allocated and freed again\n");
  exit_code = EXIT_SUCCESS;
  }
  exit(exit_code);
 }

Вывод программы следующий:

 $ ./memory6
 Memory allocated and freed again

Как это работает

Эта программа просто показывает, как вызвать функцию free с указателем, направленным на предварительно выделенную область памяти.

Примечание

Помните о том, что после вызова free для освобождения блока памяти этот блок больше не принадлежит процессу. Он больше не управляется библиотекой malloc. Никогда не пытайтесь читать из области памяти или писать в область памяти, для которой была вызвана функция free.

Другие функции распределения памяти

Две другие функции распределения или выделения памяти calloc и realloc применяются не так часто, как malloc и free.

Далее приведены их прототипы:

  #include <stdlib.h>
  void *calloc(size_t number_of_elements, size_t element_size);
  void *realloc(void *existing_memozy, size_t new_size);

Несмотря на то, что функция calloc выделяет память, которую можно освободить с помощью функции free, ее параметры несколько отличаются от параметров функции malloc: она выделяет память для массива структур и требует задания количества элементов и размера каждого элемента массива как параметров. Выделенная память заполняется нулями; и если функция calloc завершается успешно, возвращается указатель на первый элемент. Как и в случае функции malloc, последовательные вызовы не гарантируют возврата непрерывной области памяти, поэтому вы не можете увеличить длину массива, созданного функцией calloc, просто повторным вызовом этой функции и рассчитывать на то, что второй вызов вернет память, добавленную в конец блока памяти, полученного после первого вызова функции.

Функция realloc изменяет размер предварительно выделенного блока памяти. Она получает в качестве параметра указатель на область памяти, предварительно выделенную функциями malloc, calloc или realloc, и уменьшает или увеличивает эту область в соответствии с запросом. Функция бывает вынуждена для достижения результата в перемещении данных, поэтому важно быть уверенным в том, что к памяти, выделенной после вызова realloc, вы всегда обращаетесь с помощью нового указателя и никогда не используете указатель, установленный ранее до вызова функции realloc.

Другая проблема, за которой нужно следить, заключается в том, что функция realloc возвращает пустой указатель при невозможности изменить размер блока памяти. Это означает, что в приложениях следует избегать кода, подобного приведенному далее:

 my_ptr = malloc(BLOCK_SIZE);
 ...
 my_ptr = realloc(my_ptr, BLOCK_SIZE * 10);

Если realloc завершится аварийно, она вернет пустой указатель; переменная my_ptr будет указывать в никуда и к первоначальной области памяти, выделенной функцией malloc, больше нельзя будет обратиться с помощью указателя my_ptr. Следовательно, было бы полезно сначала запросить новый блок памяти с помощью malloc, а затем скопировать данные из старого блока памяти в новый блок с помощью функции memcpy и освободить старый блок памяти вызовом free. При возникновении ошибки это позволит приложению сохранить доступ к данным, хранящимся в первоначальном блоке памяти, возможно, на время организации корректного завершения программы.

Блокировка файлов

Блокировка файлов — очень важная составляющая многопользовательских многозадачных операционных систем. Программы часто нуждаются в совместно используемых данных, обычно хранящихся в файлах, и очень важно, что у этих программ есть способ управления файлом. Файл может быть при этом безопасно обновлен или программа может пресечь свои попытки чтения файла, находящегося в переходном состоянии во время записи в него данных другой программой.

У системы Linux есть несколько средств, которые можно применять для блокировки файлов. Простейший способ — блокировка файла на элементарном уровне, когда ничего не может произойти при установленной блокировке. Он предоставляет программе метод создания файлов, обеспечивающий уникальность файла и невозможность одновременного создания этого файла другой программой.

Второй способ более сложный, он позволяет программам блокировать части файла для получения исключительного права доступа к ним. Есть два метода реализации этого варианта блокировки. Мы рассмотрим подробно только один из них, поскольку второй очень похож и отличается от первого немного иным интерфейсом.

Создание файлов с блокировкой

Многие приложения нуждаются в возможности создания ресурса в виде файла с блокировкой. Другие программы после этого могут проверить файл, чтобы узнать, есть ли у них право доступах ресурсу.