Исполнение и загрузка пользовательских программ в Linux

Linux поддерживает таблицу функций для загрузки программ. Каждой функции предоставляется возможность попытаться загрузить заданный файл, когда выполняется системный вызов exec.

Регистрация многократно загружаемых программ позволяет Linux поддерживать как ELF-,так и a.out – форматы кода.

Первоначально страницы двоичного файла загружаются в виртуальную память; только если программа пытается обратиться к данной странице и возникает отказ страницы, в результате данная страница загружается в физическую память.

Двоичный файл формата ELF (Executable and Linkage Format) состоит из заголовка, за которым следуют несколько выравненных до страницы секций; ELF - загрузчик читает заголовок и отображает секции файла в отдельные регионы виртуальной памяти.

Структура секций файла ELF для модуля ядра Linux показана в таблица 1.

Таблица 1. Структура секций файла ELF для модуля ядра Linux
.text	инструкции
. fixup	изменения времени исполнения
.init.text	инструкции инициализации модуля
exit.text	выходные инструкции модуля
.rodata.etrl.l	строки только для чтения
.modinfо	текст макросов модуля
_versions	данные о версии модуля
.data	инициализированные данные
. bss	неинициализированные данные
other

Распределение памяти для ELF -программ в Linux изображено на рис.2.

Рис. 2. Распределение памяти для ELF-программ.

Статическая и динамическая линковка. Программа, библиотечные функции которой встроены непосредственно в двоичный исполняемый код, статически линкуется со своими библиотеками.

Основной недостаток статической линковки в том, что любая генерируемая программа должна хранить копии одних и тех же общесистемных библиотечных функций.

Динамическая линковка более эффективна в терминах как использования физической, так и дисковой памяти, так как она загружает системные библиотеки в память только один раз.

Системы файлов Linux

С точки зрения пользователя файловая система Linux представляет собой иерархическое дерево директорий, подчиняющееся семантике UNIX.

С внутренней точки зрения, ядро скрывает детали реализации и управляет многими различными файловыми системами через общий уровень абстракции, то есть виртуальную файловую систему (VFS).

Linux VFS спроектирована по объектно-ориентированным принципам и использует набор определений, задающий структуру файлов. Системные структуры inode-object и file-object представляют отдельные файлы. Объект file system object представляет файловую систему в целом. Существует уровень абстракции для манипулирования этими объектами.

Файловая система Ext2fs – основная файловая система Linux. Она использует механизм, сходный с UNIX BSD Fast File System (ffs) для поиска блоков данных, принадлежащих некоторому файлу.

Основные различия между ext2fs и ffs касаются их политик распределения дисковой памяти.

В системе ffs диск делится на файлы, состоящие из блоков по 8Kb, а блоки разбиваются на фрагменты по 1Kb для хранения маленьких файлов или частично заполненных блоков в конце файла.

Система Ext2fs не использует фрагменты; она распределяет память более мелкими единицами. Размер блока по умолчанию в ext2fs -1Kb, хотя блоки в 2Kb и 4Kb также поддерживаются.

Система Ext2fs использует политики распределения, спроектированные с целью размещения логически смежных блоков файла в физически смежных блоках на диске, так чтобы можно было использовать одну операцию ввода-вывода для нескольких смежных блоков.

Структурная схема системы файлов Ext2fs показана в таблица 2.

Таблица 2. Структурная схема системы файлов Ext2fs в Linux

Суперблок (Superblock)

Описание группы блоков (Group Descriptors)

Битовая карта блоков (Block Bitmap)

Битовая карта индексных дескрипторов (Inode Bitmap)

Таблица индексных дескрипторов (Inode Table)

Данные (Data)

Группы блоков в Ext2fs. Все блоки ext2fs разделяются на группы блоков. Для каждой группы блоков создается отдельная запись в глобальной дескрипторной таблице, в этой записи хранятся основные параметры:

· номер блока битовый карты блоков

· номер блока битовой карты inode

· номер блока таблицы inode

· число свободных блоков в группе

· число inode, содержащих каталоги.

Битовая карта блоков — это структура, каждый бит которой показывает, отведён ли соответствующий ему блок какому-либо файлу. Если бит равен 1, то блок занят. Аналогичную функцию выполняет битовая карта индексных дескрипторов, показывая какие именно индексные дескрипторы заняты, а какие нет. Ядро Linux, используя число inode, содержащих каталоги, пытается равномерно распределить inode каталогов по группам, а inode файлов помещает, если это возможно, в группу с родительским каталогом.

Все оставшееся место, обозначенное в таблице как данные, отводится для хранения файлов.

Адресация файлов в Ext2fs. Система адресации данных — одна из самых существенных составных частей файловой системы. Именно система адресации позволяет находить нужный файл среди множества как пустых, так и занятых блоков на диске.

Файловая система ext2 использует следующую схему адресации блоков файла. Для хранения адреса файла выделено 15 полей, каждое из которых состоит из 4 байтов.

Если размер файла меньше или равен 12 блокам, то номера этих кластеров непосредственно перечисляются в первых двенадцати полях адреса. Если размер файла превышает 12 блоков, то следующее 13-е поле содержит адрес кластера, в котором могут быть расположены номера следующих блоков файла.

Таким образом, 13-й элемент адреса используется для косвенной адресации. При максимальном размере блока, равном 4096 байтов, 13-й элемент может содержать до 1024 номеров следующих кластеров данных файла. Если размер файла превышает 12+1024 блоков, то используется 14-е поле, в котором находится номер блока, содержащего 1024 номеров блоков, каждый из которых хранит 1024 номеров блоков данных файла. Здесь применяется уже двойная косвенная адресация. И, наконец, если файл включает более 12+1024+1048576 = 1049612 блоков, то используется последнее 15-е поле для тройной косвенной адресации.

Таким образом, описанная выше система адресации, позволяет при максимальном размере блока 4 Кб иметь файлы размера до 2 терабайт или больше.

Схема адресации файлов в системе Ext2fs изображена на рис.3.

Рис. 3. Адресация файлов в системе Ext2fs.

 

Принципы размещения блоков в системе Ext2fs иллюстрируются на рис. 4.

Рис. 4. Принципы размещения блоков в системе Ext2fs.

Файловая система Linux Proc. Файловая система proc не хранит данные; вместо этого, их содержимое вычисляется по требованию, в соответствии с пользовательскими запросами на ввод-вывод.

Система proc реализует структуру директорий и файлы, находящиеся внутри них; затем она определяет уникальный и сохраняемый номер inode для каждой директории и файлов, которые в ней содержатся. Она использует этот номер inode для идентификации, какая операция требуется, когда пользователь пытается обратиться к конкретному inode файла или выполнить поиск в конкретном inode директории.

Когда данные читаются из одного из этих файлов, система proc собирает соответствующую информацию, преобразует ее в текстовую форму и помещает в буфер чтения соответствующего процесса.

Ввод и вывод в Linux

Система файлов Linux, ориентированная на устройства, осуществляет доступ к дисковой памяти с помошью двух кэшей:

· Данные хранятся в кэше страниц, который объединен с системой виртуальной памяти;

· Метаданные хранятся в буферном кэше, причем каждый кэш индексируется блоком диска.

Linux разбивает устройства на три класса:

Блочные устройства допускают произвольный доступ к полностью независимым блокам данных фиксированного размера.

Символьные устройства включают большую часть всех других устройств; они не нуждаются в поддержке функциональности обычных файлов.

Сетевые устройства взаимодействуют с сетевой системой ядра.

Модульная структура драйверов устройств в Linux изображена на рис. 5.

Рис. 5. Модульная структура драйверов устройств.

Блочные устройства обеспечивают основной интерфейс ко всем дисковым устройствам в системе. Блочный буферный кэш служит для двух основных целей:

· Как буферный пул для активного ввода-вывода

· Как кэш для завершенного ввода-вывода.

Менеджер запросов управляет чтением и записью содержимого буферов с помощью драйвера блочного устройства.

Символьные устройства. Драйвер символьного устройства не поддерживает произвольный доступ к фиксированным блокам данных.

Драйвер символьного устройства регистрирует набор функций, реализующих разнообразные требуемые операции ввода-вывода.

Ядро не выполняет почти никакой предварительной обработки запроса на чтение или запись в файл символьного устройства, но просто передает данный запрос драйверу устройства.

Основное исключение из этого правила – это особый набор драйверов символьных устройств, которые реализуют доступ к терминальным устройствам (TTY); для них ядро поддерживает стандартный интерфейс.