Tafelübung zu BS 4. Speicherverwaltung

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1 Tafelübung zu BS 4. Speicherverwaltung Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Agenda Besprechung Aufgabe 3: Deadlocks Aufgabe 4: Speicherverwaltung dynamische Speicherverwaltung in C: malloc/free Speicherverwaltung im Eigenbau: Next-Fit mit Bitliste Exkurs: Bitoperationen in C Makefiles Klausuraufgabe: Buddy-Platzierungsstrategie BS: U4 Speicherverwaltung 2

3 Besprechung Aufgabe 3 Foliensatz Besprechung BS: U4 Speicherverwaltung 3

4 Dynamische Speicherverwaltung in C malloc ( memory alloc ): Standardbibliotheksfunktion, reserviert dynamisch Speicher auf dem Heap aus malloc(3): void *malloc(size_t size) reserviert size Bytes liefert einen Pointer auf den Anfang des Speicherbereichs oder im Fehlerfall (!): NULL size_t: plattformunabhängiger Typ für Speicherbereichsgrößen (sizeof() ist z.b. auch vom Typ size_t!) free: gibt zuvor mit malloc (oder calloc/realloc) belegten Speicher wieder frei void free(void *ptr) Speicher darf nur 1x free()d werden! BS: U4 Speicherverwaltung 4

5 Dynamische Speicherverwaltung in C Beispiel für malloc/free: int *first_n_squares(unsigned n) { int *array, i; array = malloc(n * sizeof(int)); /* kein Cast notwendig! */ if (array == NULL) { /* Fehlerbehandlung */ perror( malloc ); exit(exit_failure); } for (i = 0; i < n; ++i) /* Array befüllen... */ array[i] = i * i; return array; /*... und zurückliefern */ } /* Die Variable array hoert hier auf zu existieren nicht * * aber der Speicherbereich, auf den sie zeigt! */ int main(void) { int *ptr; /*... */ ptr = first_n_squares(200); printf( 10*10 = %d\n, ptr[10]); free(ptr); return 0; } BS: U4 Speicherverwaltung 5

6 Dynamische Speicherverwaltung in C ptr zeigt jetzt auf einen Speicherbereich der Länge 42 Wie schreiben wir ein int mit dem Wert 0x an den Anfang? (int *)ptr (int *)ptr char *ptr = malloc(42); vom Typ char * ( Zeiger auf char ) Cast auf den Typ int * ( Zeiger auf int ) und ab da wie üblich: Dereferenzieren (* davor), um den Wert anfassen zu können, auf den der Zeiger zeigt! (Klammerung!) *((int *)ptr) ist vom Typ int (char *, auf int * gecastet, dereferenziert) *((int *)ptr) = 0x ; Quizfrage: In welchem Bereich des Speicherlayouts landet der angeforderte Speicher? BS: U4 Speicherverwaltung 6

7 } A4: Speicherverwaltung im Eigenbau void *nf_alloc(size_t size): belegt Speicher (wie malloc(3)!) void nf_free(void *ptr, size_t size): gibt frei ([fast] wie free(3)!) ein großer Speicherpool (globales char-array: mem_pool) eine Freispeicher-Bitliste (char-array: free_list), die belegte Chunks verwaltet mem_pool A B C D Speicher free_list F8 ein Chunk, z.b. 32 Bytes FF CF... Bitliste markiert belegte Chunks fester Größe, z.b. 32 Bytes (rechte Spalte: Hexadezimaldarstellung, wie sie dump_free_mem verwendet) BS: U4 Speicherverwaltung 7

8 A4: Speicherverwaltung im Eigenbau Next Fit Verfahren soll verwendet werden. Vorgehen beim Belegen (nf_alloc) Speichergröße in Chunks umrechnen (aufrunden!) Freispeicher-Bitliste nach der nächsten passenden Lücke durchsuchen Keinen Freispeicher gefunden: NULL zurückliefern Freispeicher gefunden: - Position für nächste Allokation merken - Speicherbereich belegen (Bits setzen!) - Adresse berechnen (beginnend bei mem_pool!) und zurückliefern Vorgehen beim Freigeben (nf_free) Adresse verwenden, um Nummer des Chunks zu berechnen - Differenz ((char *) ptr) - mem_pool verwenden! Speicherbereich freigeben (Bits löschen!) BS: U4 Speicherverwaltung 8

9 A4: Speicherverwaltung im Eigenbau Bitliste ab der letzten allozierten Position durchsuchen und erste passende Lücke verwenden Wir betrachten dazu als Beispiel nf_alloc(70) 70 Bytes benötigen 3 Chunks (je 32 Bytes) free_list Letzte Allokation War hier (Lücke zu klein) 2. Lücke Position 12 9 Chunks passt. Lücke wird genutzt Position der letzten Allokation abspeichern Also verwende die Lücke an Position 12 BS: U4 Speicherverwaltung 9

10 Exkurs: Bitoperationen Wie setzt man ein einzelnes Bit in einem Byte (bzw. unsigned char)? Wie löscht man ein einzelnes Bit in einem Byte? Wie testet man ein einzelnes Bit in einem Byte? Zur Verfügung stehende Operationen: bitweises UND (Operator in C: &) bitweises ODER (in C: ) bitweise NEGATION (in C: ~) SHIFT nach links/rechts (in C: << bzw. >>) [bitweises EXKLUSIVES ODER (in C: ^)] OR = F8 02 FA unsigned char c = 0xF3; c = c & 0x0F; c = c 0x10; c = ~c; c = c << 1; /* dasselbe kuerzer */ c &= 0x0F; c = 0x10; c = ~c; c <<= 1; BS: U4 Speicherverwaltung 10

11 Exkurs: Bitoperationen Setzen eines Bits Verodern von Eingabe und Bitfolge, in der nur das entsprechende Bit gesetzt ist: = Herstellen der Bitfolge in C mit Linksshift (1 << 2) Löschen eines Bits Verunden von Eingabe und Bitfolge, in der nur das entsprechende Bit nicht gesetzt ist: & = Herstellen der Bitfolge in C mit Linksshift und Negation: ~(1 << 4) Testen eines Bits Verunden von Eingabe und Bitfolge, in der nur das entsprechende Bit gesetzt ist: & = Ergebnis > 0 Gesuchtes Bit in der Eingabe ist gesetzt Ergebnis = 0 Gesuchtes Bit nicht gesetzt BS: U4 Speicherverwaltung 11

12 Exkurs: Bitoperationen vs. logische Op. Bitoperatoren (&,, ~, ^, <<, >>) vs. logische Operatoren (&&,,!) für XOR und Shift gibt es kein Logik-Äquivalent in C! int a = 1, b = 2, c; c = a & b; /* Wert von c? */ c = a && b; /* Wert von c? */ c = ~b; /* Wert von c? */ c =!b; /* Wert von c? */ c =!!b; /* Wert von c? */ c = a << 2; /* Wert von c? */ bei Interesse: mehr dazu im Web ( BS: U4 Speicherverwaltung 12

13 Exkurs: Bitoperationen vs. logische Op. Bitoperatoren (&,, ~, ^, <<, >>) vs. logische Operatoren (&&,,!) für XOR und Shift gibt es kein Logik-Äquivalent in C! int a = 1, b = 2, c; c = a & b; /* c = 0, da bitweises und */ c = a && b; /* c = 1, da a und b!= 0 */ c = ~b; /* c = -3 (0xFFFFFFFD), Bits geflippt */ c =!b; /* c = 0, da b!= 0 */ c =!!b; /* c = 1, da!b == 0 */ c = a << 2; /* c = 4, da 0001 zu 0100 wird */ bei Interesse: mehr dazu im Web ( BS: U4 Speicherverwaltung 13

14 Exkurs: Bitoperationen vs. logische Op. Vorsicht mit der Operatoren-Rangfolge! Was tut dieser Code? if (a & 3 == 3) {... } if ((a & 3) == 3) {... } BS: U4 Speicherverwaltung 14

15 Exkurs: Bitoperationen vs. logische Op. Vorsicht mit der Operatoren-Rangfolge! Was tut dieser Code? if (a & 3 == 3) {... } if ((a & 3) == 3) {... } == hat höhere Priorität als & 1. if-abfrage vergleicht zuerst 3 und 3. Ergebnis: 1 Dann wird 1 bitweise mit a verundet. 2. if-abfrage verundet zuerst bitweise a mit 3 Dann wird das Ergebnis daraus mit 3 verglichen BS: U4 Speicherverwaltung 15

16 Pointerarithmetik Noch eine abschließende Quizfrage zu Pointerarithmetik... Was ist der Unterschied zwischen und... /* ptr hat einen gueltigen Wert */ return ((char *)ptr) + 1; /* ptr hat einen gueltigen Wert */ return ((int *)ptr) + 1;...? BS: U4 Speicherverwaltung 16

17 Pointerarithmetik Noch eine abschließende Quizfrage zu Pointerarithmetik... Was ist der Unterschied zwischen und... /* ptr hat einen gueltigen Wert */ return ((char *)ptr) + 1; /* ptr hat einen gueltigen Wert */ return ((int *)ptr) + 1;...? Antwort: Bei Berechnungen (Addition, Subtraktion,...) mit Zeigern hängt die Adressdifferenz vom Zeigertyp ab! Erhöhung um sizeof(char) vs. sizeof(int)! BS: U4 Speicherverwaltung 17

18 Makefiles Bauen von Projekten mit mehreren Dateien Makefile Informationen wie eine Projektdatei beim Bauen des Projektes zu behandeln ist # -= Variablen =- # Name=Wert oder auch # Name+=Wert für Konkatenation CC=gcc CFLAGS=-Wall -ansi -pedantic -D_XOPEN_SOURCE -D_POSIX_SOURCE # -= Targets =- # Name: <benötigte Dateien und/oder andere Targets> # <TAB> Kommando # <TAB> Kommando... (ohne <TAB> beschwert sich make!) all: program1 program2 # erstes Target = Default-Target program1: prog1.c prog1.h $(CC) $(CFLAGS) -o program1 prog1.c program2: prog2.c prog2.h program1 # Abhängigkeit: benötigt program1! $(CC) $(CFLAGS) -o program2 prog2.c BS: U4 Speicherverwaltung 18

19 Targets & Abhängigkeiten program1 program2 prog1.c prog1.h prog2.c prog2.h # target program1 program1: prog1.c prog1.h... # target program2 program2: prog2.c prog2.h program1... Vergleich von Änderungsdatum der Quell- und Zieldateien Quelle jünger? Neu übersetzen! make durchläuft Abhängigkeitsgraph Java-Pendant: Apache Ant BS: U4 Speicherverwaltung 19

20 Beispiel: Aufgabe A2 von 2010 # -= Variablen =- # Name=Wert oder auch # Name+=Wert für Konkatenation CC=gcc CFLAGS=-Wall -ansi -pedantic -D_XOPEN_SOURCE -D_POSIX_SOURCE # -= Targets =- # Name: <benötigte Dateien und/oder andere Targets> # <TAB> Kommando # <TAB> Kommando... (ohne <TAB> beschwert sich make!) all: chatclient chatserver # erstes Target = Default-Target chatclient: chatclient.c chatshm.c chatshm.h sync.c sync.h $(CC) $(CFLAGS) -o chatclient chatclient.c chatshm.c sync.c chatserver: chatserver.c chatshm.c chatshm.h sync.c sync.h $(CC) $(CFLAGS) -o chatserver chatserver.c chatshm.c sync.c clean: rm -f chatclient chatserver *.o.phony: all clean # unechte (phony) Targets BS: U4 Speicherverwaltung 20

21 Makefiles und make(1) ls chatclient chatclient.c chatserver chatserver.c chatshm.c chatshm.h Makefile sync.c sync.h make clean rm -f chatclient chatserver *.o make gcc -Wall (...) -o chatclient chatclient.c chatshm.c sync.c gcc -Wall (...) -o chatserver chatserver.c chatshm.c sync.c touch chatserver.c make gcc -Wall (...) -o chatserver chatserver.c chatshm.c sync.c make make: Nothing to be done for `all'. touch sync.h make gcc -Wall (...) -o chatclient chatclient.c chatshm.c sync.c gcc -Wall (...) -o chatserver chatserver.c chatshm.c sync.c Makefiles ausführen mit make <target> bei fehlendem <target> wird das Default-Target (das 1.) ausgeführt Optionen - -f: Makefile angeben; make -f <makefile> - -j: Anzahl der gleichzeitig gestarteten Jobs, z.b. make -j 3 BS: U4 Speicherverwaltung 21

22 Buddy-Algorithmus Speicherplatzierungsstrategie sukzessives Halbieren des freien Speichers bis zum best-fit der angeforderten Speichermenge BS: U4 Speicherverwaltung 22

23 Buddy-Algorithmus: Reservierung Suche nach einem Speicherbereich, der die passende Größe hat (minimaler Block mit der Größe 2 k angeforderter Speicher) wird ein Speicherbereich der Größe 2 n gefunden reservieren, Ende sonst versuche diesen wie folgt zu erzeugen: 1. teile einen freien Speicherbereich > 2 n (kleinstmöglich!) in zwei Hälften 2. ist eine Hälfte von der Größe 2 n (oder die untere Grenze erreicht) reservieren, Ende 3. gehe zu 1. Bsp.: Anforderung von 200KiB (auf 2 n aufgerundet: 256KiB) 1024KiB BS: U4 Speicherverwaltung 23

24 Buddy-Algorithmus: Reservierung Suche nach einem Speicherbereich, der die passende Größe hat (minimaler Block mit der Größe 2 k angeforderter Speicher) wird ein Speicherbereich der Größe 2 n gefunden reservieren, Ende sonst versuche diesen wie folgt zu erzeugen: 1. teile einen freien Speicherbereich > 2 n (kleinstmöglich!) in zwei Hälften 2. ist eine Hälfte von der Größe 2 n (oder die untere Grenze erreicht) reservieren, Ende 3. gehe zu 1. Bsp.: Anforderung von 200KiB (auf 2 n aufgerundet: 256KiB) 1024KiB 512KiB 512KiB BS: U4 Speicherverwaltung 24

25 Buddy-Algorithmus: Reservierung Suche nach einem Speicherbereich, der die passende Größe hat (minimaler Block mit der Größe 2 k angeforderter Speicher) wird ein Speicherbereich der Größe 2 n gefunden reservieren, Ende sonst versuche diesen wie folgt zu erzeugen: 1. teile einen freien Speicherbereich > 2 n (kleinstmöglich!) in zwei Hälften 2. ist eine Hälfte von der Größe 2 n (oder die untere Grenze erreicht) reservieren, Ende 3. gehe zu 1. Bsp.: Anforderung von 200KiB (auf 2 n aufgerundet: 256KiB) 1024KiB 512KiB 512KiB 256KiB 256KiB 512KiB BS: U4 Speicherverwaltung 25

26 Buddy-Algorithmus: Freigabe Gebe den Speicherbereich frei und betrachte den angrenzenden Buddy ist dieser ebenfalls nicht belegt, so fasse diese beiden zusammen wiederhole die Zusammenfassung von Buddies, bis ein Speicherbereich belegt oder der ganze Speicher freigeben ist Buddies 256KiB 256KiB 512KiB BS: U4 Speicherverwaltung 26

27 Buddy-Algorithmus: Freigabe Gebe den Speicherbereich frei und betrachte den angrenzenden Buddy ist dieser ebenfalls nicht belegt, so fasse diese beiden zusammen wiederhole die Zusammenfassung von Buddies, bis ein Speicherbereich belegt oder der ganze Speicher freigeben ist Buddies 256KiB 256KiB 512KiB 512KiB 512KiB BS: U4 Speicherverwaltung 27

28 Buddy-Algorithmus: Freigabe Gebe den Speicherbereich frei und betrachte den angrenzenden Buddy ist dieser ebenfalls nicht belegt, so fasse diese beiden zusammen wiederhole die Zusammenfassung von Buddies, bis ein Speicherbereich belegt oder der ganze Speicher freigeben ist Buddies 256KiB 256KiB 512KiB 512KiB 512KiB 1024KiB BS: U4 Speicherverwaltung 28

29 Klausuraufgabe A A B B C C C C BS: U4 Speicherverwaltung 29

30 Klausuraufgabe A A B B C C C C Prozess D belegt 6 MiB BS: U4 Speicherverwaltung 30

31 Klausuraufgabe A A B B C C C C Prozess D belegt 6 MiB A A B B D D D D C C C C BS: U4 Speicherverwaltung 31

32 Klausuraufgabe A A B B C C C C BS: U4 Speicherverwaltung 32

33 Klausuraufgabe A A B B C C C C Prozess E belegt 9 MiB: BS: U4 Speicherverwaltung 33

34 Klausuraufgabe A A B B C C C C Prozess E belegt 9 MiB: A A - - B B C C C C BS: U4 Speicherverwaltung 34