Betriebssysteme. Tafelübung 4. Speicherverwaltung. Olaf Spinczyk.

Transkript

1 Betriebssysteme Tafelübung 4. Speicherverwaltung Olaf Spinczyk AG Eingebettete Systemsoftware Informatik 12, TU Dortmund

2 Agenda Besprechung Aufgabe 3 Deadlocks Dynamische Speicherverwaltung in C Debugging mit gdb Aufgabe 4 Speicherverwaltung Das Next-Fit-Verfahren Einfache Tests in C Klausuraufgabe Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 2

3 Besprechung Aufgabe 3 Foliensatz Besprechung Aufgabe 4 - 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! Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 4

5 Dynamische Speicherverwaltung in C Beispiel für malloc/free: int *first_n_squares(unsigned n) { int *array, i; array = malloc(n * sizeof(*array)); /* 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; } Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 5

6 Dynamische Speicherverwaltung in C char *ptr = malloc(42); ptr zeigt jetzt auf einen Speicherbereich der Länge 42 Wie schreiben wir ein int mit dem Wert 0x an den Anfang? (int *)ptr vom Typ char* ( Zeiger auf char ) (int *)ptr 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? Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 6

7 Pointerarithmetik Noch eine abschließende Quizfrage zu Pointerarithmetik... Was ist der Unterschied zwischen... /* ptr hat einen gueltigen Wert */ return ((char *)ptr) + 1;... und... /* 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)! Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 7

8 Backtraces mit gdb GDB The Gnu Project Debugger Nützlich zum Debuggen von Programmabstürzen Benötigt Debug-Informationen (GCC mit -g aufrufen) Ausführbare Datei A4$ gcc -Wall -g -o test_4a A4$ gdb./test_4a (gdb) run Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault. 0x cb3 in buddy_free (addr=0x0) at 4a.c:23 23 *node = 0; Absturzposition im Code (gdb) bt #0 0x cb3 in buddy_free (addr=0x0) at 4a.c:23 #1 0x b79 in main () at test_4a.c:81 (gdb) quit Stacktrace (Zurückverfolgung) Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 8

9 Speichersystem Code Data Stack Anwendungssektionen Heap Virtueller Adressraum Eingelagerte Seiten Ausgelagerte Seite Ein-/Auslagern RAM (physikalischer Adressraum) HDD Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 9

10 Malloc-Anforderungen Code Data Stack Anwendungssektionen Heap Virtueller Adressraum Beliebig vom OS im phys. Speicher platziert Angeforderter Speicherbereich Ein-/Auslagern RAM (physikalischer Adressraum) HDD Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 10

11 Aufgabe 4 Speicherverwaltung Implementierung des Next-Fit-Algorithmus Reservierung von Speicher Freigabe von Speicher Effiziente Metadatenverwaltung ( )) Abfangen von Fehlerfällen: Ungültige Größe angefragt? (0 bzw. Wert > verfügbarer Speicher?) Ist eine passende Lücke vorhanden? (Wenn nicht, ablehnen!) Ungültige Adresse freigegeben? (D.h. eine Adresse, die nie reserviert wurde oder nicht mehr reserviert ist) Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 11

12 Next Fit Speicherplatzierungsstrategie Sucht nach der nächstbesten passenden Lücke im Speicher Merkt sich die Position der letzten Allokation, um die Suche bei der nächsten Anfrage dort fortzusetzen Speicher wird in Blöcken (hier: 4096 Byte) verwaltet Heap Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 12

13 Next Fit: Reservierung Suche nach der erstbesten Lücke im Speicher Hier: Metadaten in Allokationsliste mit einem Eintrag je Block Größe des reservierten Speicherbereichs wird in der Allokationsliste vermerkt An der Stelle, die dem ersten reservierten Block entspricht Suche nach freiem Speicher: Block reserviert? Anzahl an dort vermerkten Blöcken weiterspringen Wenn Ende des Speichers erreicht: Vom Anfang aus weitersuchen Heap A A A Status Belegt Frei Länge Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 13

14 Next Fit: Freigabe Markiere den Startblock als frei Falls freier Speicher davor/danach: Freispeicherbereiche vereinigen Andernfalls ist bei der Allokation nicht klar, wie groß der zusammenhängende freie Speicher ist Status Belegt Frei Länge Status Frei Länge Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 14

15 Beispielanfragen Heap Status Länge Frei Anfrage: Reserviere Byte Speicher Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 15

16 Beispielanfragen Anfrage: Reserviere Byte Speicher Heap A A A Status Belegt Frei Länge Anfrage: Reserviere 8 Byte Speicher Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 16

17 Beispielanfragen Anfrage: Reserviere 8 Byte Speicher Heap A A A B Status Länge Belegt Belegt Frei Anfrage: Gebe A Frei Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 17

18 Beispielanfragen Anfrage: Gebe A Frei Heap B Status Länge Frei Belegt Frei Anfrage: Reserviere Byte Speicher Abgelehnt! Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 18

19 Beispielanfragen Heap B Status Länge Frei Belegt Frei Anfrage: Gebe B frei Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 19

20 Beispielanfragen Heap Anfrage: Gebe B frei Status Länge Frei Anfrage: Reserviere Byte Speicher Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 20

21 Beispielanfragen Anfrage: Reserviere Byte Speicher Heap C C C C Status Länge Belegt Frei Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 21

22 Tests in C Einfache Programme können bei der Ausführung von Hand getestet werden z.b. prim : Werden die richtigen Zahlen ausgegeben? Interne Algorithmen und Datenstrukturen benötigen interne Tests // Ausgewürfelte Zufallszahl x = 4; // quadrieren square(&x); // Sollte nun 16 sein if (x!= 16) { printf( Da ging wohl etwas schief! ); exit(1); } Ständige Folge von if printf exit ist umständlich und repetitiv Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 22

23 Tests in C: Assertions assert(3) nimmt diese Arbeit ab // Ausgewürfelte Zufallszahl x = 4; // quadrieren square(&x); // Sollte nun 16 sein assert(x == 16); printf( Keine Fehler erkannt\n ); Ausgabe von Dateiname, Zeile und Test im Fehlerfall derf@vatos$./test_square test_square: test_square.c:77: int main(): Assertion `x == 16' failed. Tests lassen sich per Präprozessor deaktivieren derf@vatos$ gcc -Wall -DNDEBUG -o test_square derf@vatos$./test_square Keine Fehler erkannt Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 23

24 Klausuraufgabe: Buddy-Verfahren 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 Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 24

25 Klausuraufgabe A A B B C C C C Prozess E belegt 9 MiB A A - - B B C C C C Aufgabe 4 - Speicherverwaltung 25