Lösungsvorschlag zur 7. Übung

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1 Prof. Frederik Armknecht Sascha Müller Daniel Mäurer Grundlagen der Informatik 3 Wintersemester 09/10 Lösungsvorschlag zur 7. Übung 1 Präsenzübungen 1.1 Schnelltest a) Ein C-Programm wird kompiliert und ausgeführt. Bringen Sie die folgenden Schritte in die korrekte Reihenfolge: Linker Loader Compiler Assembler Interpreter 1. Compiler, 2. Assembler, 3. Linker, 4. Loader Interpreter gehört nicht dazu b) Welche Aussagen treffen auf den Assembler zu? Externe Marken sind nicht vorhanden und daher kann eine Referenzierung von aussen nicht erfolgen. Der Assembler erzeugt Objektdateien. Der Assembler bearbeitet jede Datei eines Programms separat, weshalb man keine Labels anspringen kann, die ausserhalb der gerade assemblierten Datei liegen. Vorwärtsreferenzen sind wegen des 2-Phasen-Vorgehens nicht möglich. c) Die Relocation Information beinhaltet binäre Darstellung der Daten der Quelldatei.... beinhaltet resultierenden Programmtext in Maschinensprache.... beinhaltet Adressen externer Marken in Quelltextdatei und Listen ungelöster Referenzen.... beinhaltet die Identifizierung von Instruktionen und Daten-Worte, die von absoluten Adressen abhängen.... beinhaltet präzise Beschreibung der Art der Übersetzung des Programms, so dass Debugger die zu einer Instruktion gehörende Quelltextzeile auffinden kann. d) Welche Aussagen treffen auf Lader zu? Das Binden muss vor Aktivität des Laders abgeschlossen sein. Der Lader legt ein Programm nicht ab einer festen Adresse im Hauptspeicher ab, sondern ab einer aktuell verfügbaren. Der Lader ersetzt relativ gehaltene Programmadressen zum Programmanfang durch ihren jeweils endgültigen Wert. Das Programm muss vor jeder Ausführung assembliert werden. 1

2 e) Was gehört nicht zu den Aufgaben des Laders (loader)? Laden des Program Counters mit der Anfangsadresse des Programms. Anpassung der adressabhängigen Referenzen an deren aktuelle Position im Hauptspeicher. Auflösung eventuell existierender Bezüge zu Shared-Libaries. Kombination aller Objekt-Dateien (Objekt-Module) aller Programmteile und aller benötigten Programm-Bibliotheken zu einem ausführbaren Programm. 1.2 TLB Untersucht werden Speicherzugriffe auf einem System mit 256 MByte Hauptspeicher, 1 GByte virtuellem Adressraum, 64 KByte Kachel-/Seitengröße und vollassoziativem Translation Lookaside Buffer mit 4 Einträgen (Ersetzungstrategie LRU). a) Wie groß ist der TLB (ohne Verwaltungsinformationen)? Wir haben 2 28 Byte Hauptspeicher und 2 30 Byte virtueller Adressraum. Mit einer Seitengröße von 64 KByte benötigen wir = 14 Bit für die virtuelle Seitennummer sowie = 12 Bit für die physikalische Seitennummer. Insgesamt werden also 104 = 4 ( ) Bit für den TLB benötigt. b) Füllen Sie die folgenden Tabellen aus. Felder, die keinen Eintrag erhalten sollen, sind mit zu kennzeichnen. Nehmen Sie an, dass zu Beginn sowohl der Translation Lookaside Buffer noch nicht gefüllt ist und dass die angeforderten Seiten sich zunächst nicht im Speicher befinden. Die einzelnen auszufüllenden Tabellen sollen jeweils für sich alleine betrachtet werden. Zugriff virtl.adresse Seitenfehler virtuelle Seitennummer 0x134F B00F ja 0x134F 0x3D ja 0x3D49 0x ja 0x2010 0x4F ja 0x4F46 0x ja 0x1467 0x134F 4326 nein 0x134F 0x ja 0x0348 0x ja 0x2321 0x ja 0x1421 0x ja 0x4235 2

3 hit/miss virtuelle Seitennummer (TLB) Zugriff virtl.adresse im TLB neu eingelagert ersetzt 0x miss 0x1467 0x3D miss 0x3D49 0x miss 0x0010 0x miss 0x1466 0x1348 B756 miss 0x1348 0x1467 0x1467 1A34 miss 0x1467 0x3D49 0x hit 0x0010 6B35 hit 0x C1 miss 0x2321 0x1348 0x3D miss 0x3D49 0x1467 0x miss 0x2235 0x1466 Anmerkung: die erste Tabelle enthält virtuelle Adressen, die mit einem virtuellen Adressraum von 1 GByte nicht darstellbar sind. Dies sind diejenigen Adressen, deren vordeste Hex-Ziffer größer als 3 ist. 1.3 Prozesse vs. Threads Sie möchten in einem System Multi-Threading einführen, also neben den regulären, nebenläufigen Prozessen noch leichtgewichtige Prozesse einführen. Bisher sehen Ihre PCBs folgendermaßen aus: 1 typedef struct struct_ process 2 { 3 int id; 4 int state ; // 0: running, 1: idle, 2: dead 5 int priority ; 6 byte * textsegment ; 7 byte * datasegment ; 8 byte * stacksegment ; 9 int pc; 10 int stackpointer ; 11 File * openfiles ; 12 NetworkSocket * opensockets ; 13 }; Das Verständnis der genauen C-Syntax ist für diese Aufgabe nicht notwendig. Skizzieren Sie basierend auf dieser Struktur geeignete Strukturen für PCBs und TCBs (Thread Control Blocks). 3

4 Hier gibt es verschiedene mögliche Lösungen. Eine Möglichkeit: 1 typdefdef struct pcb 2 { 3 int pid ; 4 int priority ; 5 tcb * threads ; 6 byte * textsegment ; 7 byte * datasegment ; 8 File * openfiles ; 9 NetworkSocket * opensockets ; 10 }; typedef struct tcb 13 { 14 int tid ; 15 pcb * father ; 16 int state ; 17 byte * stacksegment ; 18 int pc; 19 int stackpointer ; 20 }; 1.4 Interrupts von Interrupts Die folgenden Interrupts mit Prioritäten prio laufen zu den angegebenen Zeiten t auf. Der Wert d gibt die Zeiteinheiten an, die jeweils zur Bearbeitung eines Interrupts benötigt werden: Clock prio = 28, t = {2, 11, 20}, d = 1 Device 1 prio = 3, t = {0, 12, 17}, d = 6 Device 2 prio = 4, t = {15}, d = 2 Device 3 prio = 5, t = {4, 13, 21}, d = 3 Ein Interrupt mit hoher Priorität (= niedriger Wert) kann dabei einen Interrupt mit niedrigerer Priorität (= hoher Wert) unterbrechen. Erarbeiten Sie eine Grafik aus der ersichtlich ist, welche Interrupts zu welchem Zeitpunkt bearbeitet werden. Userland Clock Device 3 Device 2 Device t 4

5 2 Hausübungen Wichtiger Hinweis: Schicken Sie Ihre Lösungen von Programmieraufgaben zusätzlich zur schriftlichen Abgabe per an Ihren Tutor. Kommentieren Sie Ihren Quellcode grundsätzlich. Fehlende oder unsinnige Kommentare führen zu Punktabzug. 2.1 Der Lader in der Praxis In dieser Aufgabe wollen wir betrachten, wie der Lader auf einem realen System Prozesse aus Programmen erzeugt. Dazu analysieren wir das folgende Programm auf einem Linux- System mittels der Systemwerkezeuge strace und ltrace. 1 Das folgende (nicht unbedingt sinnvolle) C-Programm besteht aus einigen Aufrufen von Systemfunktionen: 1 # include <stdio.h> 2 # include <sys / mman.h> 3 # include <sys / stat.h> 4 # include <fcntl.h> 5 # include < unistd.h> 6 7 int main () { 8 char *a,c; 9 int fd; 10 struct stat attr ; fd = open (" datei. txt ", O_RDWR ); 13 fstat (fd, & attr ); 14 a = ( char *) mmap (NULL, attr. st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0); 15 c = (*( a +18) ) -51; lseek (fd, 18, SEEK_SET ); 18 write (fd, &c, 1); close (fd); 21 printf (" Bearbeitung abgeschlossen.\n"); 22 return 0; 23 } In dem gleichen Verzeichnis liegt eine Textdatei datei.txt mit folgendem Inhalt: GdI 3 ist toll! :-\ (ohne die Anführungszeichen). Mit dem Programm ltrace können die Aufrufe von Funktionen in dynamischen Bibliotheken verfolgt werden, die während der Ausführung eines Programms erfolgen. Für unser Programm sieht die Ausgabe folgendermaßen aus: libc_start_main(0x4006e4, 1, 0x7fff2ebfcaf8, 0x4007b0, 0x4007a0 <unfinished...> open("datei.txt", 2, ) = 3 fxstat(1, 3, 0x7fff2ebfc970) = 0 mmap(0, 20, 1, 2, 3) = 0x7f60cf5cd000 1 Weitere Informationen zu beiden Befehlen gibt es auf der Man-Page man strace und man ltrace bzw. unter 5

6 lseek(3, 18, 0) = 18 write(3, "\366", 1) = 1 close(3) = 0 puts("bearbeitung abgeschlossen."bearbeitung abgeschlossen. ) = exited (status 0) +++ Das Programm strace protokolliert die Syscalls, die ein Prozess absetzt. Hier ist die Ausgabe für unser Programm deutlich umfangreicher: 1 execve ( "./ t e s t ", [ "./ t e s t " ], [/ 45 vars /]) = 0 2 brk ( 0 ) = 0 x mmap(null, 4096, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d694b a c c e s s ( "/ e t c /ld. so. nohwcap ", F_OK) = 1 ENOENT (No such f i l e or d i r e c t o r y ) 5 mmap(null, 8192, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d694b a c c e s s ( "/ e t c /ld. so. preload ", R_OK) = 1 ENOENT (No such f i l e or d i r e c t o r y ) 7 open ( "/ e t c /ld. so. cache ", O_RDONLY) = 3 8 f s t a t ( 3, { st_mode=s_ifreg 0644, s t _ s i z e =135007,... } ) = 0 9 mmap(null, , PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0 x7f9d c l o s e ( 3 ) = 0 11 a c c e s s ( "/ e t c /ld. so. nohwcap ", F_OK) = 1 ENOENT (No such f i l e or d i r e c t o r y ) 12 open ( "/ l i b / l i b c. so. 6 ", O_RDONLY) = 3 13 read ( 3, " \177ELF\2\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\320\353\1\0\0\0\0\0 "..., 832) = f s t a t ( 3, { st_mode=s_ifreg 0755, s t _ s i z e = ,... } ) = 0 15 mmap(null, , PROT_READ PROT_EXEC, MAP_PRIVATE MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0 x7f9d68f2c mprotect ( 0 x7f9d , , PROT_NONE) = 0 17 mmap( 0 x7f9d , 20480, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_FIXED MAP_DENYWRITE, 3, 0 x ) = 0 x7f9d mmap( 0 x7f9d , 18440, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_FIXED MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d c l o s e ( 3 ) = 0 20 mmap(null, 4096, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d mmap(null, 4096, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d a r c h _ p r c t l (ARCH_SET_FS, 0 x7f9d694936f0 ) = 0 23 mprotect ( 0 x7f9d , 16384, PROT_READ) = 0 24 mprotect ( 0 x600000, 4096, PROT_READ) = 0 25 mprotect ( 0 x7f9d694b9000, 4096, PROT_READ) = 0 26 munmap( 0 x7f9d , ) = 0 27 open ( " d a t e i. t x t ", O_RDWR) = 3 28 f s t a t ( 3, { st_mode=s_ifreg 0666, s t _ s i z e =20,... } ) = 0 29 mmap(null, 20, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0 x7f9d694b l s e e k ( 3, 18, SEEK_SET ) = write ( 3, " \303 ", 1) = 1 32 c l o s e ( 3 ) = 0 33 f s t a t ( 1, { st_mode=s_ifchr 0620, st_rdev=makedev ( 1 3 6, 5),... } ) = 0 34 mmap(null, 4096, PROT_READ PROT_WRITE, MAP_PRIVATE MAP_ANONYMOUS, 1, 0) = 0 x7f9d694b write ( 1, " Bearbeitung abgeschlossen.\n", 27 Bearbeitung abgeschlossen. 36 ) = exit_group ( 0 ) =? 6

7 Es ist nicht nötig, dass Sie jede Zeile im Detail verstehen. Einige Anmerkungen sollen Ihnen beim Beantworten der folgenden Fragen behilflich sein: Zeile 7: Die Datei /etc/ld.so.cache enthält eine Tabelle, mit deren Hilfe der Lader die Datei einer dynamische Bibliothek im Dateisystem lokalisieren kann. Zeile 8, 14: Die Funktion fstat() ermittelt Details zu der Datei, deren File-Descriptor als erstes Argument übergeben wurde und speichert das Ergebnis im zweiten Argument: int fstat(int filedes, struct stat *buf); Zeile 3, 5 ff.: Die Funktion mmap() blendet angegebene Teile des Inhalts von Dateien in den virtuellen Speicherbereich eines Prozesses ein. Die Signatur dazu lautet: void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t pgoffset); Zeile 12: Die Datei /lib/libc.so.6 unter Linux ist die dynamische Standardbibliothek der C-Funktionen. Sie stellt die Funktionalitäten bereit, die über Header wie <stdio.h> eingebunden werden. Beantworten Sie folgenden Fragen zur strace-ausgabe: a) Was bewirkt der Befehl execve() in Zeile 1? Was bedeuten seine Parameter? 1 Punkt Der Befehl startet das Programm./programm (1. Argument) und übergibt ihm den eigenen Namen als Parameter (2. Argument). Zusätzlich werden sämtliche gesetzten Umgebunbsvariablen an den Prozess übertragen (3. Argument). b) Aus welchem Grund öffnet der Lader die Bibliothek libc.so.6? 1 Punkt Der Lader lokalisiert damit die Datei libc.so.6 im Dateisystem. In dieser kompilierten Bibliotheksdatei befinden sich Standard-C-Funktionen, wie etwa printf, welche dieses Programm aufruft. c) Welchen Vorteile hat die Verwendung von mmap bei häufigen, wahlfreien Zugriffen auf eine Datei? 1 Punkt Lese- und Schreibzugriffe erfolgen in der sehr hohen Geschwindigkeit des Arbeitsspeichers. Ein Programm kann eine Datei in den Speicher einblenden, dort sehr viele Zugriffe ausführen und die fertig bearbeiteten Daten (falls gewünscht) wieder in die physische Datei zurückschreiben. d) Betrachten Sie die beiden Aufrufe von mmap() in Zeile 15 und 17. Woher kommt der Wert 3 im fünften Argument? Welchen Effekt haben die beiden Aufrufe vermutlich? 1,5 Punkte Die 3 ist der File-Descriptor der libc.so.6, wie er in Zeile 11 durch den Aufruf von open() an das Programm zurückgegeben wurde. Durch die beiden mmap()-befehle werden die benötigten Code-Segmente der C-Bibliothek in den Speicher des Prozesses eingeblendet. e) Wie hängen die vorletzte Zeile der ltrace-ausgabe (die mit puts beginnt) und Zeile 35 der strace-ausgabe zusammen? 1 Punkt Die ltrace-ausgabe zeigt den Aufruf der Bibliotheksfunktion puts(), während in der strace-ausgabe der Syscall write() auftaucht. Die puts()-funktion schreibt den übergebenen String mittels write() in den File-Descriptor der Standardausgabe, welcher immer 1 lautet. f) Was bedeutet das Ergebnis der Zeile 29? 1 Punkt 7

8 Dies ist der Rückgabewert des Funktionsaufrufes von mmap (im C-Code in Zeile 14). Er gibt die Speicheradresse an, ab der der Dateiinhalt in den Speicher eingeblendet ist. g) In welchem Speicherbereich (Startadresse, Endadresse) befindet sich also der Inhalt der Datei datei.txt? 1,5 Punkte 0x7f60cf5cd000 bis 0x7f60cf5cd012 Bytes (die Datei enthält 19 Zeichen) h) Was bewirken die Zeilen 30 und 31 der strace-ausgabe? 1 Punkt Die Funktion lseek setzt den Zeiger zum Bearbeiten auf das letzte Byte der Datei. Die Funktion write schreibt genau ein Ausrufezeichen an diese Stelle. i) Wie lautet nach Ausführung des Programmes der Inhalt der Datei datei.txt? 1 Punkt GdI 3 ist toll! :-) 8