Программирование для Linux. Профессиональный подход

Вот как можно выделить и заблокировать 32 Мбайт оперативной памяти:

const int alloc_size = 32 * 1024 * 1024;
char* memory = malloc(alloc_size);
mlock(memory, alloc_size);

Выделение страницы и блокирование ее с помощью функции mlock еще не означает, что эта страница будет предоставлена данному процессу, поскольку выделение памяти может происходить в режиме копирования при записи. [29] Следовательно, каждую страницу необходимо проинициализировать:

29

Режим копирования при записи означает, что Linux создает для процесса частную копию страницы только тогда, когда процесс записывает в нее какие-то данные.

size_t i;
size_t page_size = getpagesize;
for (i = 0; i < alloc_size; i += page_size)
 memory[i] = 0;

Процессу, осуществляющему запись на страницу, операционная система предоставит в монопольное использование ее уникальную копию.

Для разблокирования области памяти следует вызвать функцию munlock, передав ей те же аргументы, что и функции mlock.

Функция mlockall блокирует все адресное пространство программы и принимает единственный флаговый аргумент. Флаг MCL_CURRENT означает блокирование всей выделенной на данный момент памяти, но не той, что будет выделяться позднее. Флаг MCL_FUTURE задает блокирование всех страниц, выделенных после вызова функции mlockall. Сочетание флагов MCL_CURRENT | MCL_FUTURE позволяет блокировать всю память программы, как текущую, так и будущую.

Блокирование больших объемов памяти, особенно с помощью функции mlockall, несет потенциальную угрозу всей системе. Несправедливое распределение оперативной памяти приведет к катастрофическому снижению производительности системы, так как остальным процессам придется сражаться друг с другом за небольшой "клочок" памяти, вследствие чего они будут постоянно выгружаться на диск и загружаться обратно. Может даже возникнуть ситуация, когда оперативная память закончится и система начнет уничтожать процессы. По этой причине функции mlock и mlockall доступны лишь суперпользователю. Если какой-нибудь другой пользователь попытается вызвать одну из этих функций, она вернёт значение -1, а в переменную errno будет записан код EPERM.

Функция munlосkall разблокирует всю память текущего процесса.

Контролировать использование памяти удобнее всего с помощью команды top. В колонке SIZE ее выходных данных показывается размер виртуального адресного пространства каждой программы (общий размер сегментов кода, данных и стека с учетом выгруженных страниц). В колонке RSS приводится объем резидентной части программы. Сумма значений в столбце RSS не может превышать имеющийся объем ОЗУ, а суммарный показатель по столбцу SIZE не может быть больше 2 Гбайт (в 32-разрядных версиях Linux).

Функции семейства mlock объявлены в файле <sys/mman.h>.

8.9. Функция mprotect: задание прав доступа к памяти

В разделе 5.3, "Отображение файлов в памяти", рассказывалось о том, как осуществляется отображение файла в памяти. Вспомните, что третьим аргументом функции mmap является битовое объединение флагов доступа: флаги PROT_READ, PROT_WRITE и PROT_EXEC задают права чтения, записи и выполнения файла, а флаг PROT_NONE означает запрет доступа. Если программа пытается выполнить над отображаемым файлом недопустимую операцию, ей посылается сигнал SIGSEGV (нарушение сегментации), который приводит к завершению программы.

После того как файл был отображен в памяти, изменить права доступа к нему позволяет функция mprotect. Ее аргументами является адрес области памяти, размер области и новый набор флагов доступа. Область должна состоять из целых страниц, т.е. начинаться и заканчиваться на границе между страницами.

Корректное выделение памяти

Учтите, что память, выделяемая функцией malloc, обычно не выравнивается по границе страниц, даже если размер области кратен размеру страницы. Если требуется защищать память, выделяемую функцией malloc, нужно запросить более крупный блок, а затем найти в нем участок, выровненный по границе страниц.

Кроме того, с помощью функции mmap можно обойти функцию malloc и запрашивать память непосредственно у ядра Linux.

Предположим, к примеру, что программа выделяет страницу, отображая в памяти файл /dev/zero. Память инициализируется как для чтения, так и для записи:

int fd = open("/dev/zero", O_RDONLY);
char* memory =
 mmap(NULL, page_size, PROT_READ | PROT_WRITE,
 MAP_PRIVATE, fd, 0);
close(fd);

Далее программа запрещает запись в эту область памяти, вызывая функцию mprotect:

mprotect(memory, page_size, PROT_READ);

Существует оригинальная методика контроля памяти: можно защитить область памяти с помощью функций mmap и mprotect, а затем обрабатывать сигнал SIGSEGV, посылаемый при попытке доступа к этой памяти. Эта методика иллюстрируется в листинге 8.7.

Листинг 8.7. (mprotect.c) Обнаружение попыток доступа к памяти благодаря функции mprotect

#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

static int alloc_size;
static char* memory;

void segv_handler(int signal_number) {
 printf("memory accessed!\n");
 mprotect(memory, alloc_size, PROT_READ | PROT_WRITE);
}

int main {
 int fd;
 struct sigaction sa;

 /* Назначение функции segv_handler обработчиком сигнала
 SIGSEGV. */

 memset(&sa, 0, sizeof(sa));
 sa.sa_handler = &segv_handler;
 sigaction(SIGSEGV, &sa, NULL);

 /* Выделение одной страницы путем отображения в памяти файла
 /dev/zero. Сначала память доступна только для записи. */
 alloc_size = getpagesize;
 fd = open("/dev/zero", O_RDONLY);
 memory =
 mmap(NULL, alloc_size, PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
 close(fd);
 /* Запись на страницу для получения ее копии в частное
 использование. */