8.8. Семейство функций mlock: блокирование физической памяти
Функции семейства
mlock
позволяют программе блокировать часть своего адресного пространства в физической памяти. Заблокированные страницы не будут выгружены операционной системой в раздел подкачки, даже если программа долго к ним не обращалась.
Блокирование физической памяти важно в программах реального времени, поскольку задержки, связанные с выгрузкой и подкачкой страниц, могут оказаться слишком длинными или возникать в самый неподходящий момент. Приложения, заботящиеся о безопасности своих данных, могут устанавливать запрет на выгрузку важных данных в файл подкачки, в котором они станут доступны злоумышленнику после завершения программы.
Чтобы заблокировать область памяти, достаточно вызвать функцию
mlock
, передав ей указатель на начало области и значение длины области. ОС Linux разбивает память на страницы и соответственно блокирует ее постранично: любая страница, которую захватывает (хотя бы частично) заданная в функции
mlock
область памяти, окажется заблокированной. Определить размер системной страницы позволяет функция
getpagesize
. В Linux-системах, работающих на платформе x86, эта величина составляет 4 Кбайт.
Вот как можно выделить и заблокировать 32 Мбайт оперативной памяти:
const int alloc_size = 32 * 1024 * 1024;
char* memory = malloc(alloc_size);
mlock(memory, alloc_size);
Выделение страницы и блокирование ее с помощью функции
mlock
еще не означает, что эта страница будет предоставлена данному процессу, поскольку выделение памяти может происходить в режиме копирования при записи. [29] Следовательно, каждую страницу необходимо проинициализировать:
29
Режим копирования при записи означает, что Linux создает для процесса частную копию страницы только тогда, когда процесс записывает в нее какие-то данные.
size_t i;
size_t page_size = getpagesize;
for (i = 0; i < alloc_size; i += page_size)
memory[i] = 0;
Процессу, осуществляющему запись на страницу, операционная система предоставит в монопольное использование ее уникальную копию.
Для разблокирования области памяти следует вызвать функцию
munlock
, передав ей те же аргументы, что и функции
mlock
.
Функция
mlockall
блокирует все адресное пространство программы и принимает единственный флаговый аргумент. Флаг
MCL_CURRENT
означает блокирование всей выделенной на данный момент памяти, но не той, что будет выделяться позднее. Флаг
MCL_FUTURE
задает блокирование всех страниц, выделенных после вызова функции
mlockall
. Сочетание флагов
MCL_CURRENT | MCL_FUTURE
позволяет блокировать всю память программы, как текущую, так и будущую.
Блокирование больших объемов памяти, особенно с помощью функции
mlockall
, несет потенциальную угрозу всей системе. Несправедливое распределение оперативной памяти приведет к катастрофическому снижению производительности системы, так как остальным процессам придется сражаться друг с другом за небольшой "клочок" памяти, вследствие чего они будут постоянно выгружаться на диск и загружаться обратно. Может даже возникнуть ситуация, когда оперативная память закончится и система начнет уничтожать процессы. По этой причине функции
mlock
и
mlockall
доступны лишь суперпользователю. Если какой-нибудь другой пользователь попытается вызвать одну из этих функций, она вернёт значение -1, а в переменную errno будет записан код
EPERM
.
Функция
munlосkall
разблокирует всю память текущего процесса.
Контролировать использование памяти удобнее всего с помощью команды
top
. В колонке
SIZE
ее выходных данных показывается размер виртуального адресного пространства каждой программы (общий размер сегментов кода, данных и стека с учетом выгруженных страниц). В колонке
RSS
приводится объем резидентной части программы. Сумма значений в столбце
RSS
не может превышать имеющийся объем ОЗУ, а суммарный показатель по столбцу
SIZE
не может быть больше 2 Гбайт (в 32-разрядных версиях Linux).
Функции семейства
mlock
объявлены в файле
<sys/mman.h>
.
8.9. Функция mprotect: задание прав доступа к памяти
В разделе 5.3, "Отображение файлов в памяти", рассказывалось о том, как осуществляется отображение файла в памяти. Вспомните, что третьим аргументом функции
mmap
является битовое объединение флагов доступа: флаги
PROT_READ
,
PROT_WRITE
и
PROT_EXEC
задают права чтения, записи и выполнения файла, а флаг
PROT_NONE
означает запрет доступа. Если программа пытается выполнить над отображаемым файлом недопустимую операцию, ей посылается сигнал
SIGSEGV
(нарушение сегментации), который приводит к завершению программы.
После того как файл был отображен в памяти, изменить права доступа к нему позволяет функция
mprotect
. Ее аргументами является адрес области памяти, размер области и новый набор флагов доступа. Область должна состоять из целых страниц, т.е. начинаться и заканчиваться на границе между страницами.
Корректное выделение памяти
Учтите, что память, выделяемая функцией
malloc
, обычно не выравнивается по границе страниц, даже если размер области кратен размеру страницы. Если требуется защищать память, выделяемую функцией
malloc
, нужно запросить более крупный блок, а затем найти в нем участок, выровненный по границе страниц.
Кроме того, с помощью функции
mmap
можно обойти функцию
malloc
и запрашивать память непосредственно у ядра Linux.
Предположим, к примеру, что программа выделяет страницу, отображая в памяти файл
/dev/zero
. Память инициализируется как для чтения, так и для записи:
int fd = open("/dev/zero", O_RDONLY);
char* memory =
mmap(NULL, page_size, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_PRIVATE, fd, 0);
close(fd);
Далее программа запрещает запись в эту область памяти, вызывая функцию
mprotect
:
mprotect(memory, page_size, PROT_READ);
Существует оригинальная методика контроля памяти: можно защитить область памяти с помощью функций
mmap
и
mprotect
, а затем обрабатывать сигнал
SIGSEGV
, посылаемый при попытке доступа к этой памяти. Эта методика иллюстрируется в листинге 8.7.
Листинг 8.7. (mprotect.c) Обнаружение попыток доступа к памяти благодаря функции