Книга: Операционная система UNIX

Выделение памяти

Выделение памяти

При обсуждении формата исполняемых файлов и образа программы в памяти мы отметили, что сегменты данных и стека могут изменять свои размеры. Если для стека операцию выделения памяти операционная система производит автоматически, то приложение имеет возможность управлять ростом сегмента данных, выделяя дополнительную память из хипа (heap — куча). Рассмотрим этот программный интерфейс.

Память, которая используется сегментами данных и стека, может быть выделена несколькими различными способами как во время создания процесса, так и динамически во время его выполнения. Существует четыре способа выделения памяти:

1. Переменная объявлена как глобальная, и ей присвоено начальное значение в исходном тексте программы, например:

char ptype = "Unknown file type";

Строка ptype размещается в сегменте инициализированных данных исполняемого файла, и для нее выделяется соответствующая память при создании процесса.

2. Значение глобальной переменной неизвестно на этапе компиляции, например:

char ptype[32];

В этом случае место в исполняемом файле для ptype не резервируется, но при создании процесса для данной переменной выделяется необходимое количество памяти, заполненной нулями, в сегменте BSS.

3. Переменные автоматического класса хранения, используемые в функциях программы, используют стек. Память для них выделяется при вызове функции и освобождается при возврате. Например:

func1() {
 int a;
 char *b;
 static int с = 4;
 ...
}

В данном примере переменные а и b размещаются в сегменте стека. Переменная с размешается в сегменте инициализированных данных и загружается из исполняемого файла либо во время создания процесса, либо в процессе загрузки страниц по требованию. Более подробно страничный механизм описан в главе 3.

4. Выделение памяти явно запрашивается некоторыми системными вызовами или библиотечными функциями. Например, функция malloc(3C) запрашивает выделение дополнительной памяти, которая в дальнейшем используется для динамического размещения данных. Функция ctime(3C), предоставляющая системное время в удобном формате, также требует выделения памяти для размещения строки, содержащей значения текущего времени, указатель на которую возвращается программе.

Напомним, что дополнительная память выделяется из хипа (heap) — области виртуальной памяти, расположенной рядом с сегментом данных, размер которой меняется для удовлетворения запросов на размещение. Следующий за сегментом данных адрес называется разделительным или брейк-адресом (break address). Изменение размера сегмента данных по существу заключается в изменении брейк-адреса. Для изменения его значения UNIX предоставляет процессу два системных вызова — brk(2) и sbrk(2).

#include <unistd.h>
int brk(void *endds);
void *sbrk(int incr);

Системный вызов brk(2) позволяет установить значение брейк-адреса равным endds и, в зависимости от его значения, выделяет или освобождает память (рис. 2.11). Функция sbrk(2) изменяет значение брейк-адреса на величину incr. Если значение incr больше 0, происходит выделение памяти, в противном случае, память освобождается.[23]

Рис 2.11. Динамическое выделение памяти с помощью brk(2)

Существуют четыре стандартные библиотечные функции, предназначенные для динамического выделения/освобождения памяти.

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nelem, size_t elsize);
void *realloc(void *ptr, size_t size);
void free(void *ptr);

Функция malloc(3C) выделяет указанное аргументом size число байтов.

Функция calloc(3C) выделяет память для указанного аргументом nelem числа объектов, размер которых elsize. Выделенная память инициализируется нулями.

Функция realloc(3C) изменяет размер предварительно выделенной области памяти (увеличивает или уменьшает, в зависимости от знака аргумента size). Увеличение размера может привести к перемещению всей области в другое место виртуальной памяти, где имеется необходимое свободное непрерывное виртуальное адресное пространство.

Функция free(3C) освобождает память, предварительно выделенную с помощью функций malloc(3C), calloc(3C) или realloc(3C), указатель на которую передается через аргумент ptr.

Указатель, возвращаемый функциями malloc(3C), calloc(3C) и realloc(3C), соответствующим образом выровнен, таким образом выделенная память пригодна для хранения объектов любых типов. Например, если наиболее жестким требованием по выравниванию в системе является размещение переменных типа double по адресам, кратным 8, то это требование будет распространено на все указатели, возвращаемыми этими функциями.

Упомянутые библиотечные функции обычно используют системные вызовы sbrk(2) или brk(2). Хотя эти системные вызовы позволяют как выделять, так и освобождать память, в случае библиотечных функций память реально не освобождается, даже при вызове free(3C). Правда, с помощью функций malloc(3C), calloc(3C) или realloc(3C) можно снова выделить и использовать эту память и снова освободить ее, но она не передается обратно ядру, а остается в пуле malloc(3C).

Для иллюстрации этого положения приведем небольшую программу, выделяющую и освобождающую память с помощью функций malloc(3C) и free(3C), соответственно. Контроль действительного значения брейк-адреса осуществляется с помощью системного вызова sbrk(2):

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
main() {
 char *obrk;
 char *nbrk;
 char *naddr;
 /* Определим текущий брейк-адрес */
 obrk = sbrk(0);
 printf("Текущий брейк-адрес= 0x%xn", obrk);
 /* Выделим 64 байта из хипа */
 naddr = malloc(64);
 /* Определим новый брейк-адрес */
 nbrk = sbrk(0);
 printf("Новый адрес области malloc= 0x%x,"
  " брейк-адрес= 0х%x (увеличение на %d байтов)n",
  naddr, nbrk, nbrk — obrk);
 /* "Освободим" выделенную память и проверим, что произошло
    на самом деле */
 free(naddr);
 printf("free(0x%x)n", naddr);
 obrk = sbrk(0);
 printf("Новый брейк-адрес= 0x%x (увеличение на %d байтов)n",
  obrk, obrk — nbrk);
}

Откомпилируем и запустим программу:

$ a.out
Текущий брейк-адрес= 0x20ac0
malloc(64)
Новый адрес области malloc = 0x20ac8, брейк-адрес = 0x22ac0
(увеличение на 8192 байтов)
free(0x20ac8)
Новый брейк-адрес = 0x22ac0 (увеличение на 0 байтов)
$

Как видно из вывода программы, несмотря на освобождение памяти функцией free(3C), значение брейк-адреса не изменилось. Также можно заметить, что функция malloc(3C) выделяет больше памяти, чем требуется. Дополнительная память выделяется для необходимого выравнивания и для хранения внутренних данных malloc(3C), таких как размер области, указатель на следующую область и т.п.

Оглавление книги