Konzepte von Betriebssystem-Komponenten. Programmstart & dynamische Bibliotheken SS 05. Wladislaw Eckhardt.

Transkript

1 Proseminar KVBK Programmstart dynamische Bibliotheken Konzepte von Betriebssystem-Komponenten Programmstart & dynamische Bibliotheken SS 05 Wladislaw Eckhardt 1

2 1 Einleitung 1.1 Problematik 1.2 Motivation 1.3 Loesungsansätze 2 Bibliotheken 2.1 Definition 2.2 allgemein 2.3 statische Bindung 2.4 dynamische Bindung zum Programmstart 2.5 dynamische Bindung zur Laufzeit 3 Programmstart 3.1 Generierung eines Objektmoduls 3.2 Hauptspeichereinteilung fuer Prozesse 3.3 Programmstart mit Linken dynamischer Bibliotheken 4 Strategien der Verwendung dynamischer Bibliotheken 4.1 festes Linken 4.2 dynamisches Laden 5 Beispiele zur Erzeugung von Bibliotheken 5.1 statische Bibliothek 5.2 dynamische Bibliothek 6 Fazit 2

3 1 Einleitung Programmteile werden modularisiert Gemeinsamkeiten werden ausgelagert Wiederverwendbarkeit Bsp., Standartfunktionen von Programmiersprachen Standardfunktionen übersetzt und in Bibliotheken abgelegt statische Linken 3

4 Probleme durch statisches Linken... Redundanz der Standardfunktionen Speicherplatzverschwendung Arbeitsspeicher Festplattenspeicher fehleranfällige llige Programmierung durch identischen Code Laufzeitverzögerung Updateprobleme 4

5 Motivation Maschinencode dürfen d Programme nicht verändern Systeme unterbinden dies sowieso (ROM) Konstanten werden ebenfalls gemeinsam genutzt Lösungsansatz : Referenz auf gemeinsam genutzten Code verwenden Mechanismen: Verwendung dynamische Bibliotheken oder ähnlicher Datenstruktur UNIX: shared objects (abgekürzt so) Windows: dynamic link library (DLL) 5

6 2 Bibliotheken Def.: Bibliotheken in der Informationsverarbeitung sind Sammlungen von widerverwendbaren Funktionsmodulen, dadurch ist klare Abkapselung und Strukturierung von dem eigentlichen Programm möglich. m Klassifizierung nach Funktionsart Einteilung nach Programmiersprache Weitere Unterscheidung, wann sie zu einem Programm hinzu gebunden werden Zeitpunktklassen: 1. direkt nach Programmierübersetzung 2. bei jedem Programmstart 3. zu einem beliebigen Zeitpunkt 6

7 Statische Bindung - Bibliotheken Bindung zur Entwicklungszeit Programm + Bibliothek ein Objekt Bibliotheksdatei anschließend end überflüssig Statische Linken Bibliotheken sind Archive Unflexibel... Abb. 1: statische Binden 7

8 Bibliotheken werden mit einem Programm in einer Datei gebunden: Vorteile: immer alle Funktionen vorhanden Nachteile: Längere Ladezeiten, Speicherverschwendung Programme sind größer schlechte Erweiterbarkeit Abb. 2: Objekte Deshalb verwendet man diesen Mechanismus sehr selten, wenn man z. B. Programm fest mit Bibliothek verbunden haben möchte. 8

9 Dynamische Bindung zum Programmstart: Programm beim Start mit der passenden Bibliothek verbinden dynamisches Binden Bibliothek muss separat geladen werden komplizierter Vorgang gemeinsam nutzbare Bibliothek (shared( libraries) Aber dennoch wird dieser Mechanismus nicht Dll (dynamically linked libraries) ) genannt, da dieser Begriff dem nächsten zu Erläuternden verfahren gehört. 9

10 Abb. 3: gemeinsam genutzte Bibliotheken 10

11 Dynamische Bindung bzw. Bibliotheken Programm lädt l Bibliotheken erst zu Laufzeit hohe Flexibilität Programm kann funktionieren auch wenn nicht alle Bib. vorhanden sind Bibliotheken werden erst dann geladen wenn sie gebraucht werden sehr kompliziert zu realisieren konsequentes Programmierkonzept notwendig unter Unix shared libraries genannt 11

12 Dynamische Bibliotheken Eine DLL ist eine Bibliothek, die zur Laufzeit geladen und mit dem Programm verbunden (gelinkt) wird Abb. 4: Zugriff auf Bibliothek zur Laufzeit 12

13 Abb. 5: allgemeine Programmerzeugung 13

14 3 Programmstart & Programmerzeugungsprozess 1. Der Präprozessor bearbeitet die Präprozessor prozessor-derektiven im Quelltext z. B. #include -oder #define Anweisungen 2. Der Compiler erzeugt ein Objektmodul 3. Der Linker erzeugt aus einem oder mehreren Objektmodulen ein lauffaehiges Programm. Die Objektmodule liegen entweder als einzelne Dateien (Suffix: *.o) oder in Form von Objektmodul-Bibliotheken (lib...) vor Hauptspeichereinteilung für Prozesse Abb. 6: Generierung eines Objektmoduls 14

15 Hauptspeichereinteilung für f r Prozesse.code Segment (Programm).data Segment (statische Daten).bss Segment (dynamische Daten) Stack Abbildung 5: Einteilung des Hauptspeichers fuer Prozesse 15

16 4 Strategien zur Verwendung dynamischer Bibliotheken festes Linken Dummy-Objekte werden statt Funktionen dazugelinkt festes Linken!= statische Linken dynamische Laden Funktionen durch BS-Funktionen nachgeladen 16

17 Mechanismus zur Realisierung der gemeinsam genutzten Bibliotheken Wo liegen eigentlich die Vorteile gegenüber der statischen Bindung? Anstelle der Funktionen (oder Daten) der Bibliothek werden beim Linken leere Dummy-Objekte dazugelinkt, um für f r den Linker die Referenzen zu erfüllen, diese bringen nur den Namen einer Funktion in die Objektdatei. tei. Beim Start des Programms wird vom Laufzeitsystem automatisch die Bibliothek geladen. Referenzen auf die Dummys werden ersetzt möglicherweise müssen m Bibliotheken nachgeladen werden interne Optimierung bleibt nach außen Verborgen sehr kompliziert zu realisieren... 17

18 5 Beispiele Erstellung statischer Bibliotheken: ar <Schalter> <Libname< Libname> > <Objektdateien> ar cr libmylib.a modul1.o modul2.o modul3.o 18

19 Erstellung dynamischer Bibliotheken: Nicht alle Unix-Systeme beherrschen den komplizierten Mechanismus des dynamischen Linken, auch die Implementierungen können k sich unterscheiden. Um dynamische Bibliotheken zu erstellen, müssen m zunächst die Quelltextdateien mit dem zusätzlichen Schalter -fpic zu Objekdateien übersetzt werden. Beispiel: gcc g fpic c c modul1.c gcc g g modul1.o shared Wl, soname,, libirgendwas.so.1 o o libirgendwas.so

20 Zusammenfassung Vorteile dynamischer Bibliotheken gegenüber statischen Bibliotheken: Einsparung am Speicher -> > Geschwindigkeitsvorteile schnelleren Programmen kleineren Programmen Fehler in Programmen können k schnell behoben werden ausführbare Code einer dynamischen Bibliothek wird von System nur einmal in den Speicher geladen Updates erfordern relativ wenig Aufwand 20

21 Nachteile dynamischer Bibliotheken gegenüber statischen: Ein mit dynamischen Bibliotheken gelinktes Programm ist für f r sich allein nicht ablauffähig, da es immer die zugehörigen dynamischen Bibliotheken benötigt Dynamischen Bibliotheken müssen m beim Programmstart erst gesucht und geladen 21

22 Fragen? 22