Лаб_раб-4_ver1.0 (Лабораторные работы 1-4)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА С В UNIX/LINUX

3.1 Цель работы

Целью данной работы является получение основных сведений о системных вызовах, базовых средств взаимодействия процессов, (порождение процесса, замена тела процесса, взаимодействие при помощи передачи/приема сигналов), отладка программы на С в UNIX/LINUX (анализ и исправление ошибок на стадии компиляции и в процессе работы программы).

3.2 Задание на выполнение работы

1) Установить компилятор GNU С Compiler под UNIX/LINUX^*.

2) Написать и отладить программу, выводящую на экран строку «Hello UNIX»

• с использованием стандартной библиотеки ввода-вывода;

• с использованием функции непосредственной записи в стандартный поток вывода.

3) Написать и отладить программу, запрашивающую 2 числа и выводящую их наибольший общий делитель. Использовать алгоритм Евклида.

4) Написать и отладить программу, принимающую из командной строки 2 числа. Если эти числа равны, вывести на экран только одно число, если нет – вывести числа в порядке возрастания.

5) Написать и отладить программу, определяющую является ли файл исполняемым файлом формата ELF. Программа должна запросить у пользователя имя файла. Если файл не удастся открыть, проанализировать ошибку и выдать соответствующее сообщение.

6) Написать пример программы, которая запускает и связывает каналом два процесса: вывод содержимого каталога и подсчет количества строк (ls и wc).

7) Написать пользовательскую функцию обработки сигнала. Установка обработки сигнала происходит одноразово (обрабатывается только одно событие, связанное с появлением данного сигнала SIG_ALRM). Возврат из функции-обработчика происходит в точку прерывания процесса.

3.3 Краткие теоретические сведения

3.3.1 Установка компилятора

Компилятор GNU С Compiler представляет собой набор исполняемых файлов и библиотек. В дистрибутиве Linux Ubuntu он находится в пакете cpp-4.2_4.2.4-1ubuntu3_i386.deb в репозиториях и на диске. Для того чтобы поставить любой deb-пакет в консоли надо набрать команду

sudo apt-get install [имя_пакета] ,

в рабочей среде GNOME следует использовать программу Synaptic (графический интерфейс для системы управления пакетами). Следует помнить, что между пакетами может существовать зависимость, т.е. один пакет не возможно поставить без предварительной установки другого. В случае с Linux Ubuntu, при использовании типичной комплектации, при установке операционной системы компилятор gcc идет в комлекте.

3.3.2 Компиляция

Процедура создания большинства приложений является общей. Первой фазой является стадия компиляции, когда файлы с исходными текстами программы, включая файлы заголовков, обрабатываются компилятором сс. Параметры компиляции задаются либо с помощью файла makefile, либо явным указанием необходимых опций компилятора в командной строке. В итоге компилятор создает набор промежуточных объектных файлов. Традиционно имена созданных объектных файлов имеют суффикс « .о».

На следующей стадии эти файлы с помощью редактора связей ld связываются друг с другом и с различными библиотеками, включая стандартную библиотеку по умолчанию и библиотеки, указанные пользователем в качестве параметров. При этом редактор связей может выполняться в двух режимах: статическом и динамическом, что задается соответствующими опциями. В статическом, наиболее традиционном режиме связываются все объектные модули и статические библиотеки (их имена имеют суффикс «.а»), производится разрешение всех внешних ссылок модулей и создается единый исполняемый файл, содержащий весь необходимый для выполнения код. Во втором случае, редактор связей по возможности подключает разделяемые библиотеки (имена этих библиотек имеют суффикс «.so»). В результате создается исполняемый файл, к которому в процессе запуска на выполнение будут подключены все разделяемые объекты. В обоих случаях по умолчанию создается исполняемый файл с именем a.out.

В UNIX/LINUX при использовании компилятора gcc исходник программы пишется в обычном текстовом редакторе (например встроенный в тс редактор) и сохраняется с расширением .с. Далее исходник транслируется:

$ сс -с [имя__исходного_файла]

после данной команды получается объектный файл с расширением .о (если не было ошибок) и компилируется:

$ сс -о [имя_исполняемого_файла] [имя_объектного файла]

после данной команды получается исполняемый файл.

Для достаточно простых задач все фазы автоматически выполняются вызовом команды:

$ make [имя исходного файла без расширения]

Заметим, что команда cc является программной оболочкой и компилятора, и редактора связей, которую и рекомендуется использовать при создании программ.

3.3.3 Форматы исполняемых файлов

В большинстве современных операционных систем UNIX используются два стандартных формата исполняемых файлов – COFF (Common Object File Format) и ELF (Executable and Linking Format).

Описание форматов исполняемых файлов необходимо для описания базовой функциональности ядра операционной системы. Информация, хранящаяся в исполняемых файлах форматах COFF и ELF позволяет получить информацию для работы приложения и системы в целом: какие части программы необходимо загрузить в память; как создается область неинициализированных данных; где в памяти располагаются инструкции и данные программы, какие библиотеки необходимы для выполнения программы; как связан исполняемый файл на диске; образ программы в памяти и дисковая область свопинга.

Базовая структура памяти для процессов, загруженных из исполняемых файлов форматов COFF и ELF содержит одни и те же основные компоненты (сегменты кода, данных, стека), хотя расположение сегментов различно. Независимо от формата исполняемого файла виртуальные адреса процесса не могут выходить за пределы 3 Гбайт.

Формат ELF

Формат ELF имеет файлы нескольких типов. Стандарт ELF различает следующие типы:

1. Перемещаемый файл (relocatable file), хранящий инструкции и данные, которые могут быть связаны с другими объектными файлами. Результатом такого связывания может быть исполняемый файл или разделяемый объектный файл.

2. Разделяемый объектный файл (shared object file) также содержит инструкции и данные, но может быть использован двумя способами. В первом случае, он может быть связан с другими перемещаемыми файлами и разделяемыми объектными файлами, в результате чего будет создан новый объектный файл. Во втором случае, при запуске программы на выполнение операционная система может динамически связать его с исполняемым файлом программы, в результате чего будет создан исполняемый образ программы. В последнем случае речь идет о разделяемых библиотеках.

3. Исполняемый файл хранит полное описание, позволяющее системе создать образ процесса. Он содержит инструкции, данные, описание необходимых разделяемых объектных файлов, а также необходимую символьную и отладочную информацию.

ELF-файл

Заголовок ELF-файла имеет фиксированное расположение. Остальные компоненты размещаются в соответствии с информацией, хранящейся в заголовке. Таким образом, заголовок содержит общее описание структуры файла, расположение отдельных компонентов и их размеры. Поскольку заголовок ELF-файла определяет его структуру, в табл. 3.1 приведены более подробно поля заголовка.

Таблица 3.1 –Поля заголовка ELF-файла

Информация, содержащаяся в таблице заголовков программы, указывает ядру, как создать образ процесса из сегментов. Большинство сегментов копируются (отображаются) в память и представляют собой соответствующие сегменты процесса при его выполнении, например, сегменты кода или данных.

Каждый заголовок сегмента программы описывает один сегмент и содержит следующую информацию:

- тип сегмента и действия операционной системы с данным сегментом;

• расположение сегмента в файле;

• стартовый адрес сегмента в виртуальной памяти процесса;

• размер сегмента в файле;

• размер сегмента в памяти;

- флаги доступа к сегменту (запись, чтение, выполнение).

Часть сегментов имеет тип LOAD, предписывающий ядру при запуске программы на выполнение создать соответствующие этим сегментам структуры данных, называемые областями, определяющие непрерывные участки виртуальной памяти процесса и связанные с ними атрибуты. Сегмент, расположение которого в ELF-файле указано в соответствующем заголовке программы, будет отображен в созданную область, виртуальный адрес начала которой также указан в заголовке программы. К сегментам такого типа относятся, например, сегменты, содержащие инструкции программы (код) и ее данные. Если размер сегмента меньше размера области, неиспользованное пространство может быть заполнено нулями. Такой механизм, в частности используется при создании неинициализированных данных процесса (BSS).

В сегменте типа INTERP хранится программный интерпретатор. Данный тип сегмента используется для программ, которым необходимо динамическое связывание. Суть динамического связывания заключается в том, что отдельные компоненты исполняемого файла (разделяемые объектные файлы) подключаются не на этапе компиляции, а на этапе запуска программы на выполнение. Имя файла, являющегося динамическим редактором связей, хранится в данном сегменте. В процессе запуска программы на выполнение ядро создает образ процесса, используя указанный редактор связей. Таким образом, первоначально в память загружается не исходная программа, а динамический редактор связей. На следующем этапе динамический редактор связей совместно с ядром UNIX создают полный образ исполняемого файла. Динамический редактор загружает необходимые разделяемые объектные файлы, имена которых хранятся в отдельных сегментах исходного исполняемого файла, и производит требуемое размещение и связывание. В заключение управление передается исходной программе.

Завершает файл таблица заголовков разделов или секций (section). Разделы (секций) определяют разделы файла, используемые для связывания с другими модулями в процессе компиляции или при динамическом связывании. Соответственно, заголовки содержат всю необходимую информацию для описания этих разделов. Как правило, разделы содержат более детальную информацию о сегментах. Так, например, сегмент кода может состоять из нескольких разделов, таких как хэш-таблица для хранения индексов используемых в программе символов, раздел инициализационного кода программы, таблица связывания, используемая динамическим редактором, а также раздел, содержащий собственно инструкции программы.

Следует обратить внимание на то, что в начале ELF-файла стоит сигнатура 'Ox7fELF' , по которой можно определить формат файла (массив байт, каждый из которых определяет некоторую общую характеристику файла: формат файла (ELF), номер версии, архитектуру системы (32-разрядная или 64-разрядная) и т. д.).