البحث في الموقع

يوفر وجود الربط الديناميكي Dynamic Linking بعض المزايا التي يمكننا الاستفادة منها وبعض المشاكل الإضافية التي يجب حلها للحصول على نظام فعّال. إصدارات المكتبات إحدى المشاكل المُحتمَلة هي وجود إصدارات مختلفة للمكتبات. لكن هناك احتمال أقل بكثير لوجود مشاكل عند استخدام المكتبات الساكنة، حيث تُدمَج شيفرة المكتبة البرمجية مباشرةً في الملف الثنائي الخاص بالتطبيق. إن أردتَ استخدام إصدار جديد من المكتبة، فيجب إعادة تصريفها في ملف ثنائي جديد لتحل محل الإصدار القديم. يُعَد ذلك أمرًا غير عملي إلى حد ما بالنسبة للمكتبات الشائعة وأكثرها شيوعًا مكتبه libc والمُضمَّنة في معظم التطبيقات. إذا كانت المكتبة متوفرة فقط بوصفها مكتبة ساكنة، فيجب إعادة بناء كل تطبيق في النظام عند أي تعديل فيها. يمكن أن تسبّب التعديلات في طريقة عمل المكتبة الديناميكية مشاكلًا متعددة. تكون التعديلات في أحسن الأحوال متوافقة تمامًا دون تغيير أيّ شيء مرئي خارجيًا، ولكن يمكن أن تتسبب التعديلات في تعطل التطبيق مثل تغير الدالة التي تأخذ النوع int لتأخذ النوع int *‎. الأسوأ من ذلك هو أن يغيّر إصدارُ المكتبة الجديد الدلالات ويعيد قيمًا مختلفة وخاطئة فجأةً. يمكن أن يكون هذا خطأً يصعب تعقّبه، حيث إن تعطل أحد التطبيقات، فيمكنك استخدام منقّح أخطاء Debugger لعزل مكان حدوث الخطأ، بينما يمكن أن يظهر تلف البيانات أو تعديلها فقط في أجزاء أخرى من التطبيق. يتطلب الرابط الديناميكي طريقة لتحديد إصدار المكتبات في النظام بحيث يمكن التعرّف على التعديلات الأحدث. هناك عدد من الأنظمة التي يمكن للرابط الديناميكي الحديث استخدامها للعثور على الإصدارات الصحيحة من المكتبات التي سنوضّحها فيما يلي. نظام sonames يُستخدَم نظام sonames لإضافة بعض المعلومات الإضافية إلى مكتبة للمساعدة في تحديد الإصدارات. يسرد التطبيق المكتبات التي يريدها في الحقول DT_NEEDED ضمن القسم الديناميكي للملف الثنائي، وتوجد المكتبة الفعلية في ملف على القرص الصلب ضمن المجلد ‎/lib لمكتبات النظام الأساسية أو المجلد ‎/usr/lib للمكتبات الاختيارية. يتطلب وجودُ إصدارات متعددة من المكتبة على القرص الصلب استخدامَ أسماء ملفات مختلفة. لذا يستخدم نظام sonames مجموعة من الأسماء وروابطًا إلى نظام الملفات لبناء تسلسل هرمي من المكتبات من خلال تقديم مفهوم التعديلات الرئيسية Major والثانوية Minor للمكتبة. يُعَد التعديل الثانوي تعديلًا متوافقًا مع إصدار سابق من المكتبة، ويتكون من إصلاحاتٍ للأخطاء فقط. بينما يُعَد التعديل الرئيسي أي تعديل غير متوافق مثل تغيير دخل الدوال أو الطريقة التي تتصرف بها الدالة. تشكّل الحاجة إلى الاحتفاظ بكل تعديل مكتبة رئيسي أو ثانوي في ملف منفصل على القرص الصلب أساسَ تسلسل المكتبات الهرمي. يكون اسم المكتبة هو libNAME.so.MAJOR.MINOR حسب العِرف المتبع، حيث يمكنك اختياريًا الحصول على إطلاق Release بوصفه معرفًا نهائيًا بعد العدد الثانوي، ويكفي ذلك لتمييز جميع إصدارات المكتبة المختلفة. مع ذلك، إذا رُبِط كل تطبيق بهذا الملف مباشرةً، فسنواجه المشكلة نفسها التي واجهناها مع المكتبة الساكنة، إذ يجب إعادة بناء التطبيق للإشارة إلى المكتبة الجديدة في كل مرة يحدث فيها تعديل ثانوي. ما نريده هو أن نشير إلى ما يمثله العدد الرئيسي Major من المكتبة الذي إن تغير، فيجب إعادة تصريف Recompile تطبيقنا، لأننا نحتاج إلى التأكد من أن برنامجنا لا يزال متوافقًا مع المكتبة الجديدة. يكون soname بالشكل libNAME.so.MAJOR، ويجب ضبطه في الحقل DT_SONAME من القسم الديناميكي لمكتبة مشتركة، حيث يمكن لمؤلف المكتبة تحديد هذا الإصدار عند إنشاء المكتبة. يمكن أن يحدّد كل ملف مكتبة للإصدار الثانوي على القرص الصلب رقمَ الإصدار الرئيسي نفسه في الحقل DT_SONAME، مما يسمح للرابط الديناميكي بمعرفة أن ملف المكتبة يطبّق تعديلًا رئيسيًا معينًا لواجهتي API و ABI الخاصتين بالمكتبة. لذا يُشغَّل تطبيق اسمه ldconfig لإنشاء روابط رمزية للإصدار الرئيسي إلى أحدث إصدار ثانوي على النظام. يعمل تطبيق ldconfig من خلال تشغيل جميع المكتبات التي تطبّق رقم إصدار رئيسي معين، ثم يختار المكتبة التي تحتوي على أعلى رقم تعديل ثانوي، ثم ينشِئ رابطًا رمزيًا من libNAME.so.MAJOR إلى ملف المكتبة الفعلي الموجود على القرص الصلب مثل libNAME.so.MAJOR.MINOR. الجزء الأخير من التسلسل الهرمي هو اسم تصريف Compile Name المكتبة. إن أردت تصريف برنامجك لربطه بمكتبة، فيمكنك استخدام الراية ‎-lNAME التي تبحث عن الملف libNAME.so في مسار بحث المكتبة. لاحظ أننا لم نحدد أي رقم إصدار، لأننا نريد فقط الربط بأحدث مكتبة على النظام. يعود الأمر إلى إجراء التثبيت الخاص بالمكتبة لإنشاء رابط رمزي بين اسم التصريف libNAME.so وأحدث شيفرة مكتبة على النظام، ويمكن التعامل مع ذلك باستخدام نظام إدارة الحزم dpkg أو rpm. لا يُعَد ذلك عملية آلية، إذ يُحتمَل ألّا تكون أحدث مكتبة على النظام هي المكتبة التي ترغب في تصريفها دائمًا، فمثلًا يمكن أن تكون أحدث مكتبة مُثبَّتة إصدارًا تطويريًا غير مناسب للاستخدام العام. يوضح الشكل التالي العملية العامة لنظام sonames: كيف يبحث الرابط الديناميكي عن المكتبات يبحث الرابط الديناميكي في الحقل DT_NEEDED للعثور على المكتبات المطلوبة عند بدء تشغيل التطبيق، حيث يحتوي هذا الحقل على اسم soname الخاص بالمكتبة، لذا فالخطوة التالية هي أن يمر الرابط الديناميكي على جميع المكتبات في مسار بحثه بحثًا عن المكتبة المطلوبة. تتضمن هذه العملية من الناحية النظرية خطوتين. أولًا، يجب أن يبحث الرابط الديناميكي في جميع المكتبات للعثور على تلك المكتبات التي تطبّق نظام soname المحدد. ثانيًا، يجب مقارنة أسماء الملفات الخاصة بالتعديلات الثانوية للعثور على أحدث إصدار والذي يكون جاهزًا للتحميل لاحقًا. ذكرنا سابقًا أن هناك رابطًا رمزيًا أعدّه برنامج ldconfig بين اسم soname الخاص بالمكتبة والتعديل الثانوي الأخير، وبالتالي يجب أن يتبع الرابط الديناميكي هذا الرابط فقط للعثور على الملف الصحيح المراد تحميله بدلًا من الاضطرار إلى فتح جميع المكتبات الممكنة وتحديد المكتبات التي تريد استخدامها في كل مرة يكون التطبيق مطلوبًا فيها. يُعَد الوصول إلى نظام الملفات بطيئًا جدًا، لذا ينشئ برنامج ldconfig ذاكرة مخبئية للمكتبات المُثبَّتة في النظام، حيث تكون هذه الذاكرة المخبئية ببساطة قائمةً بأسماء soname الخاصة بالمكتبات المتاحة للرابط الديناميكي ومؤشرًا لرابط الإصدار الرئيسي على القرص الصلب، مما يوفر على الرابط الديناميكي قراءة مجلدات كاملة مليئة بالملفات لتحديد الرابط الصحيح. يمكنك تحليل ذلك باستخدام ‎/sbin/ldconfig -p الموجود ضمن الملف ‎/etc/ldconfig.so.cache. إن لم يُعثَر على المكتبة في الذاكرة المخبئية، فسيعود الرابط الديناميكي إلى الخيار الأبطأ المتمثل في المرور على نظام الملفات، وبالتالي يجب إعادة تشغيل برنامج ldconfig عند تثبيت مكتبات جديدة. البحث عن الرموز ناقشنا كيف حصل الرابط الديناميكي على عنوان دالة المكتبة ووضعه في جدول PLT ليستخدمه البرنامج، ولكننا لم نناقش حتى الآن كيف يجد الرابط الديناميكي عنوان الدالة. تُسمَّى هذه العملية بالارتباط Binding، لأن اسم الرمز مرتبط بالعنوان الذي يمثله. يحتوي الرابط الديناميكي على أجزاء من المعلومات مثل الرمز الذي يبحث عنه وقائمة المكتبات التي يمكن أن يكون هذا الرمز فيها كما هو محدَّد باستخدام حقول DT_NEEDED في الملف الثنائي. تحتوي كل مكتبة كائنات مشتركة على قسم يسمى ‎.dynsym مميَّز على أنه SHT_DYNSYM، حيث يُعَد هذا القسم الحد الأدنى من مجموعة الرموز المطلوبة للربط الديناميكي، وهو أيّ رمز في المكتبة يمكن أن يستدعيه برنامج خارجي. جدول الرموز الديناميكي هناك ثلاثة أقسام تلعب جميعها دورًا في وصف الرموز الديناميكية. لنلقِ أولًا نظرة على تعريف رمز من مواصفات ملف ELF كما يلي: typedef struct { Elf32_Word st_name; Elf32_Addr st_value; Elf32_Word st_size; unsigned char st_info; unsigned char st_other; Elf32_Half st_shndx; } Elf32_Sym; الحقل القيمة st_name فهرس إلى جدول السلاسل النصية st_value القيمة الموجودة في كائن مشترك قابل للنقل، حيث تحتفظ هذه القيمة بالإزاحة عن قسم الفهرس المعطى في الحقل st_shndx st_size أي حجم مرتبط بالرمز st_info معلومات عن ارتباط Binding الرمز الذي سنشرحه لاحقًا ويكون نوع هذا الرمز دالة أو كائن أو غير ذلك st_other غير مُستخدَم حاليًا st_shndx فهرس القسم الذي يوجد فيه الرمز (اطّلع على الحقل st_value) تكون السلسلة النصية الفعلية لاسم الرمز ضمن قسم منفصل هو القسم ‎.dynstr، حيث تحتوي المدخلة في هذا القسم فهرسًا إلى قسم السلاسل النصية فقط، مما يؤدي إلى ظهور مستوًى معين من الحِمل على الرابط الديناميكي، إذ يجب أن يقرأ الرابط الديناميكي جميع مدخلات الرموز في القسم ‎.dynstr، ثم يتبع مؤشر الفهرس للعثور على اسم الرمز للمقارنة. يمكن تسريع هذه العملية من خلال تقديم قسم ثالث يسمى ‎.hash يحتوي على جدول تعمية Hash Table لأسماء رموز مدخلات جدول الرموز. يُحسَب جدول التعمية مسبقًا عند إنشاء المكتبة ويسمح للرابط الديناميكي بالعثور على مدخلة الرمز بصورة أسرع باستخدام عملية بحث واحدة أو اثنتين فقط. ارتباط الرموز Symbol Binding تشير عملية العثور على عنوان رمز إلى عملية ارتباط هذا الرمز، ولكن ارتباط الرموز Symbol Binding له معنًى منفصل، إذ تفرض عملية ارتباط الرموز رؤيتها خارجيًا أثناء عملية الربط الديناميكي. يُعَد الرمز المحلي Local Symbol غير مرئي خارج ملف الكائن المُعرَّف ضمنه، بينما يُعَد الرمز العام Global Symbol مرئيًا لملفات الكائنات الأخرى ويمكن أن يحقِّق المراجعَ غير المُعرَّفة في كائنات أخرى. يكون المرجع الضعيف Weak Reference نوعًا خاصًا من المراجع العامة ذات الأولوية المنخفضة، مما يعني أنه مُصمَّم لتجاوزه كما سنرى لاحقًا. يوضح المثال التالي برنامجًا بلغة سي C نحلّله لفحص ارتباطات الرموز: $ cat test.c static int static_variable; extern int extern_variable; int external_function(void); int function(void) { return external_function(); } static int static_function(void) { return 10; } #pragma weak weak_function int weak_function(void) { return 10; } $ gcc -c test.c $ objdump --syms test.o test.o: file format elf32-powerpc SYMBOL TABLE: 00000000 l df *ABS* 00000000 test.c 00000000 l d .text 00000000 .text 00000000 l d .data 00000000 .data 00000000 l d .bss 00000000 .bss 00000038 l F .text 00000024 static_function 00000000 l d .sbss 00000000 .sbss 00000000 l O .sbss 00000004 static_variable 00000000 l d .note.GNU-stack 00000000 .note.GNU-stack 00000000 l d .comment 00000000 .comment 00000000 g F .text 00000038 function 00000000 *UND* 00000000 external_function 0000005c w F .text 00000024 weak_function $ nm test.o U external_function 00000000 T function 00000038 t static_function 00000000 s static_variable 0000005c W weak_function لاحظ استخدام ‎#pragma لتعريف الرمز الضعيف، حيث يُعَد pragma طريقة لإيصال معلومات إضافية إلى المصرِّف Compiler واستخدامه غير شائع، ولكن يكون في بعض الأحيان مطلوبًا لإخراج المصرِّف من العمليات المعتادة. يمكن فحص الرموز باستخدام أداتين مختلفتين كما هو موضَّح في المثال السابق، حيث يظهر الارتباط في العمود الثاني في كلتا الحالتين، ويجب أن تكون الشيفرات البرمجية واضحة تمامًا. تجاوز الرموز Overriding Symbols يجب أن يكون المبرمج قادرًا على تجاوز رمز في مكتبة، مما يعني تخريب الرمز العادي بتعريفٍ مختلف. ذكرنا أن ترتيب البحث في المكتبات مُحدَّدٌ حسب ترتيب حقول DT_NEEDED داخل المكتبة، ولكن يمكن إدخال مكتبات لتكون المكتبات الأخيرة التي يجري البحث عنها، وهذا يعني أنه سيُعثَر على أيّ رموز ضمنها بوصفها مرجعًا نهائيًا. يمكن تحقيق ذلك باستخدام متغير بيئة يسمى LD_PRELOAD يحدد المكتبات التي يجب أن يحمّلها الرابط في النهاية كما في المثال التالي: $ cat override.c #define _GNU_SOURCE 1 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <dlfcn.h> pid_t getpid(void) { pid_t (*orig_getpid)(void) = dlsym(RTLD_NEXT, "getpid"); printf("Calling GETPID\n"); return orig_getpid(); } $ cat test.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main(void) { printf("%d\n", getpid()); } $ gcc -shared -fPIC -o liboverride.so override.c -ldl $ gcc -o test test.c $ LD_PRELOAD=./liboverride.so ./test Calling GETPID 15187 تجاوزنا في المثال السابق الدالة getpid لطباعة عبارة صغيرة عند استدعائها. نستخدم الدالة dlysm التي توفرها مكتبة libc مع وسيط يخبرها بالاستمرار والعثور على الرمز التالي المسمَّى getpid. الرموز الضعيفة الرمز الضعيف هو الرمز المُميَّز بأنه له أولوية أقل ويمكن تجاوزه برمز آخر، حيث إن لم يُعثَر على تقديم Implementation آخر أبدًا، فسيكون الرمز الضعيف هو الرمز المُستخدَم. لذا يجب أن يحمّل المحمل الديناميكي جميع المكتبات ويتجاهل الرموز الضعيفة الموجودة في تلك المكتبات لصالح الرموز العادية الموجودة في مكتبات أخرى، حيث كانت هذه هي الطريقة المتبعة لتقديم معالجة الرموز الضعيفة في لينكس باستخدام مكتبة glibc سابقًا. لكن كان ذلك غير صحيح بالنسبة لنص معيار يونكس في ذلك الوقت SysVr4 الذي يفرض أنه يجب أن يتعامل الرابط الساكن مع الرموز الضعيفة التي يجب أن تظل بعيدة عن الرابط الديناميكي. تطابق تقديم لينكس الخاص بجعل الرابط الديناميكي يتجاوز الرموز الضعيفة مع منصة IRIX الخاصة بشركة SGI واختلف عن الأنظمة الأخرى مثل Solaris و AIX في ذلك الوقت. لذا لغى المطورون هذا السلوك عندما أدركوا أنه ينتهك المعيار، وتغير السلوك القديم ليتطلّب ضبط راية بيئة خاصة LD_DYNAMIC_WEAK. تحديد ترتيب الارتباط رأينا كيف يمكننا تجاوز دالة في مكتبة من خلال التحميل المسبق لمكتبة مشتركة أخرى لها الرمز المحدد نفسه. يُعَد الرمز الذي يُحلَّل بوصفه الرمز الأخير بأن له المرتبة الأخيرة في ترتيب تحميل المحمل الديناميكي للمكتبات، حيث تُحمَّل المكتبات بالترتيب المحدَّد في الراية DT_NEEDED الخاصة بالملف االثنائي، ويُحدَّد هذا الترتيب بدوره من خلال ترتيب تمرير المكتبات في سطر الأوامر عند بناء الكائن. يبدأ الرابط الديناميكي عند تحديد موقع الرموز بآخر مكتبة مُحمَّلة ويعمل بصورة عكسية حتى العثور على الرمز المطلوب. لكن تحتاج بعض المكتبات المشتركة إلى طريقة لتجاوز هذا السلوك، إذ يجب أن تخبر هذه المكتبات الرابط الديناميكي بأنه يجب أن ينظر أولًا بداخلها عن هذه الرموز بدلًا من العمل بصورة عكسية من آخر مكتبة مُحمَّلة. يمكن للمكتبات ضبط الراية DT_SYMBOLIC في ترويسة القسم الديناميكي للحصول على هذا السلوك، إذ يمكن ضبط هذه الراية من خلال تمرير الراية ‎-Bsymbolic عبر سطر أوامر الروابط الساكنة عند بناء المكتبة المشتركة، حيث تتحكم هذه الراية برؤية الرمز Symbol Visibility. لا يمكن تجاوز الرموز الموجودة في المكتبة، لذا يمكن عَدُّها خاصةً بالمكتبة المُحمَّلة. لكن يؤدي ذلك إلى فقدان قدر كبير من التفاصيل نظرًا لتمييز المكتبة بهذا السلوك أو عدم تمييزها، إذ سيسمح النظام الأفضل بجعل بعض الرموز خاصة وبعض الرموز عامة. تحديد إصدار الرموز Symbol Versioning يأتي النظام الأفضل من خلال استخدام تحديد إصدار الرموز، حيث يمكننا تحديد بعض المدخلات الإضافية للرابط الساكن لمنحه بعض المعلومات الإضافية حول الرموز في المكتبة المشتركة كما يلي: $ cat Makefile all: test testsym clean: rm -f *.so test testsym liboverride.so : override.c $(CC) -shared -fPIC -o liboverride.so override.c libtest.so : libtest.c $(CC) -shared -fPIC -o libtest.so libtest.c libtestsym.so : libtest.c $(CC) -shared -fPIC -Wl,-Bsymbolic -o libtestsym.so libtest.c test : test.c libtest.so liboverride.so $(CC) -L. -ltest -o test test.c testsym : test.c libtestsym.so liboverride.so $(CC) -L. -ltestsym -o testsym test.c $ cat libtest.c #include <stdio.h> int foo(void) { printf("libtest foo called\n"); return 1; } int test_foo(void) { return foo(); } $ cat override.c #include <stdio.h> int foo(void) { printf("override foo called\n"); return 0; } $ cat test.c #include <stdio.h> int main(void) { printf("%d\n", test_foo()); } $ cat Versions {global: test_foo; local: *; }; $ gcc -shared -fPIC -Wl,-version-script=Versions -o libtestver.so libtest.c $ gcc -L. -ltestver -o testver test.c $ LD_LIBRARY_PATH=. LD_PRELOAD=./liboverride.so ./testver libtest foo called 100000574 l F .text 00000054 foo 000005c8 g F .text 00000038 test_foo يمكننا ذكر ما إذا كان الرمز عامًا أم محليًا في أبسط الحالات على النحو الوارد في المثال السابق. تكون الدالة foo دالة دعم للدالة test_foo، ويمكن أن نكون سعداء بتجاوز الوظيفة الكلية للدالة test_foo، ولكن إن استخدمنا إصدار المكتبة المشتركة، فيجب الوصول إليها دون تعديل، إذ لا ينبغي لأحدٍ تعديل دالة الدعم. يسمح ذلك بالحفاظ على فضاء أسمائنا منظمًا بطريقة أفضل، إذ يمكن أن ترغب العديدُ من المكتبات في تقديم شيء يمكن تسميته باسم دالة شائعة مثل read أو write، ولكن إن فعلت ذلك، فيمكن أن يكون الإصدار الفعلي الممنوح للبرنامج خاطئًا تمامًا. يمكن للمطور من خلال تحديد الرموز بأنها محلية التأكدُ من عدم تعارض أي شيء مع هذا الاسم الداخلي دون أن يؤثر الاسم الذي يختاره على أيّ برنامج آخر. جاء مفهوم تحديد إصدار الرموز Symbol Versioning من تلك الفكرة، حيث يمكنك تحديد إصدارات متعددة من الرمز نفسه ضمن المكتبة نفسها. يُلحِق الرابط الساكن بعض معلومات الإصدار بعد اسم الرمز مثل ‎@VER الذي يصف الإصدار المعطى للرمز. إن قدّم المطور دالة لها الاسم نفسه تقديمًا ثنائيًا أو برمجيًا مختلفًا، فيمكنه زيادة رقم الإصدار. تلتقط التطبيقات الجديدة أحدث إصدار من الرمز عند بنائها بمقابل المكتبة المشتركة. لكن ستطلب التطبيقات المبنية بمقابل الإصدارات السابقة من المكتبة نفسها إصدارات أقدم، فمثلًا سيكون لها سلاسل ‎@VER أقدم في اسم الرمز الذي تطلبه، وبالتالي ستحصل على التقديم الأصلي. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Working with libraries and the linker من فصل Dynamic Linking من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: المكتبات وكيفية استدعاء دوالها ديناميكيا في معمارية الحاسوب مفهوم الربط الديناميكي Dynamic Linking في معمارية الحاسوب أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحاسوب الحديثة أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب

لقد سئم المطورون من الاضطرار إلى كتابة كل شيء من البداية، لذلك كانت المكتبات من أولى اختراعات علوم الحاسوب، فالمكتبة هي ببساطة مجموعة من الدوال التي يمكنك استدعاؤها من برنامجك. تتمتع المكتبة بالعديد من المزايا مثل أنه يمكنك توفير الكثير من الوقت عن طريق إعادة استخدام العمل الذي أنجزه شخص آخر، وتكون أكثر ثقة في أنها تحتوي على أخطاء أقل بسبب وجود أشخاص آخرين استخدموا هذه المكتبات مسبقًا، وبالتالي ستستفيد من عثورهم على الأخطاء وإصلاحها. تشبه المكتبة الملف القابل للتنفيذ تمامًا باستثناء استدعاء دوال المكتبة باستخدام معاملات من ملفك القابل للتنفيذ بدلًا من تشغيلها مباشرةً. المكتبات الساكنة Static Libraries الطريقة الأكثر مباشرة لاستخدام دالة المكتبة هي ربط ملفات الكائنات من المكتبة مباشرة بملفك النهائي القابل للتنفيذ كما هو الحال مع تلك الملفات التي صرَّفتها بنفسك، وعندها تُسمَّى المكتبة مكتبة ساكنة، لأن المكتبة ستبقى دون تغيير ما لم يُعاد تصريف البرنامج. تُعَد هذه الطريقة لاستخدام مكتبة الطريقة الأسهل لأن النتيجة النهائية هي ملف قابل للتنفيذ بسيط بدون اعتماديات. تُعَد المكتبة الساكنة مجموعةً من ملفات الكائنات، حيث يُحتفَظ بملفات الكائنات في سجل Archive، مما يؤدي إلى استخدام لاحقتها المعتادة ‎.a. يمكنك التفكير في هذه السجلات بوصفها ملفًا مضغوطًا ولكن بدون ضغط. يوضّح المثال التالي كيفية إنشاء مكتبة ساكنة بسيطة ويقدم بعض الأدوات الشائعة للتعامل مع المكتبات: $ cat library.c /* دالة مكتبة */ int function(int input) { return input + 10; } $ cat library.h /* تعريف الدالة */ int function(int); $ cat program.c #include <stdio.h> /* ترويسة ملف المكتبة */ #include "library.h" int main(void) { int d = function(100); printf("%d\n", d); } $ gcc -c library.c $ ar rc libtest.a library.o $ ranlib ./libtest.a $ nm --print-armap ./libtest.a Archive index: function in library.o library.o: 00000000 T function $ gcc -L . program.c -ltest -o program $ ./program 110 أولًا، نصرّف مكتبتنا إلى ملف كائن كما رأينا سابقًا. لاحظ أننا نحدد واجهة API الخاصة بالمكتبة في ترويسة الملف، حيث تتكون واجهة API من تعريفات الدوال الموجودة في المكتبة حتى يعرف المُصرِّف أنواع الدوال عند إنشاء ملفات الكائنات التي تشير إلى المكتبة مثل الملف program.c الذي يُضمَّن باستخدام ‎#include في ترويسة الملف. ننشئ سجل مكتبة باستخدام الأمر ar الذي يمثل اختصارًا للكلمة "سجل Archive". تُسبَق أسماء ملفات المكتبة الساكنة بالبادئة lib ويكون لها اللاحقة ‎.a حسب العرف المتَّبع. يخبر الوسيطُ c البرنامجَ بإنشاء السجل Archive، ويخبر a السجل بإضافة ملفات الكائنات المحددة في ملف المكتبة. تنبثق السجلات المُنشَأة باستخدام الأمر ar في أماكن مختلفة من أنظمة لينكس بخلاف إنشاء مكتبات ساكنة. أحد التطبيقات المستخدمة على نطاق واسع هي التطبيقات المُستخدَمة في صيغة حزم ‎.deb مع أنظمة دبيان Debian وأوبنتو Ubuntu وبعض أنظمة لينكس الأخرى، حيث تستخدم ملفات deb السجلات للاحتفاظ بجميع ملفات التطبيق مع بعضها البعض في ملف حزمة واحد. تستخدم حزم RedHat RPM صيغةً بديلةً ولكنها مشابهة لصيغة deb وتُسمَّى cpio. يُعَد ملف tar التطبيقَ الأساسي لحفظ الملفات مع بعضها بعضًا، وهو صيغة شائعة لتوزيع الشيفرة المصدرية. نستخدم بعد ذلك تطبيق ranlib لإنشاء ترويسة في المكتبة باستخدام رموز محتويات ملف الكائن، مما يساعد المصرِّف على الإشارة إلى الرموز بسرعة، إذ يمكن أن تبدو هذه الخطوة زائدة في حالة وجود رمز واحد فقط ، ولكن يمكن أن تحتوي مكتبة كبيرة على آلاف الرموز مما يعني أن الفهرس يمكن أن يسارع بصورة كبيرة في العثور على المراجع. نفحص هذه الترويسة الجديدة باستخدام تطبيق nm. لاحظ وجود الرمز function الخاص بالدالة function()‎ عند إزاحة بمقدار صفر كما هو متوقع. يمكنك بعد ذلك تحديد المكتبة للمصرِّف باستخدام الخيار ‎-lname حيث يكون الاسم هو اسم ملف المكتبة بدون البادئة lib. كما نوفر مجلد بحث إضافي للمكتبات وهو المجلد الحالي (‎-L .‎)، لأنه لا يمكن البحث عن المكتبات في المجلد الحالي افتراضيًا. النتيجة النهائية هي ملف قابل للتنفيذ مع المكتبة الجديدة المُضمَّنة. عيوب الربط الساكن يُعَد الربط الساكن أمرًا سهلًا للغاية، ولكن له عدد من العيوب، فهناك نوعان من العيوب الرئيسية أولهما أنه يجب عليك إعادة تصريف برنامجك إلى ملف تنفيذي جديد عند تحديث شيفرة المكتبة لإصلاح خطأ مثلًا، وثانيهما احتواء كل برنامج يستخدم تلك المكتبة في النظام على نسخة في ملفه القابل للتنفيذ. يُعَد ذلك غير فعال وخاصة إذا وجدت خطأ واضطررت إلى إعادة تصريفه. تُضمَّن مكتبة C التي هي glibc مثلًا في جميع البرامج، وتوفر جميع الدوال الشائعة مثل printf. المكتبات المشتركة تُعَد المكتبات المشتركة طريقةً للتغلب على المشاكل التي تشكّلها المكتبات الساكنة. تُحمَّل المكتبة المشتركة ديناميكيًا في وقت التشغيل لكل تطبيق يحتاجها، حيث يستخدم التطبيق مؤشرات تتطلب مكتبة معينة، وتُحمَّل المكتبة في الذاكرة وتُنفَّذ عند استدعاء الدالة. إن حُمِّلت المكتبة لتطبيق آخر، فيمكن مشاركة الشيفرة البرمجية بين التطبيقين، مما يوفر موارد كبيرة مع المكتبات شائعة الاستخدام. يُعَد الربط الديناميكي الذي تحدثنا عنه سابقًا أحد الأجزاء الأكثر تعقيدًا في نظام التشغيل الحديث. جدول البحث عن الإجراءات Procedure Lookup Table يمكن أن تحتوي المكتبات على العديد من الدوال، ويمكن أن يحتوي البرنامج على العديد من المكتبات لإنجاز عمله. يستخدم البرنامج دالة أو دالتين فقط من كل مكتبة من المكتبات المتعددة المتاحة، ويمكن أن تستخدم الشيفرة البرمجية بعض الدوال دون غيرها اعتمادًا على مسار وقت التشغيل. تحتوي عملية الربط الديناميكي Dynamic Linking الكثير من العمليات الحسابية، لأنها تتضمن النظر والبحث عبر العديد من الجداول، لذا يمكن تحسين الأداء عند تطبيق أيّ شيء لتقليل هذا الحِمل الناتج عن هذه العمليات الحسابية الكثيرة. يسهّل جدول البحث عن الإجراءات Procedure Lookup Table -أو PLT اختصارًا- ما يسمى بالارتباط الكسول Lazy Binding في البرامج، حيث يُعَد الارتباط Binding مرادفًا لعملية إصلاح المتغيرات الموجودة في جدول GOT الموضحة سابقًا، إذ يُقال أن المدخلة مرتبطة بعنوانها الفعلي عند إصلاحها. يتضمن البرنامج في بعض الأحيان دالةً من مكتبة، ولكنه لا يستدعيها أبدًا اعتمادًا على دخل المستخدم. تحتوي عملية الارتباط الخاصة بهذه الدالة الكثير من العمليات لتطبيقها، لأنها تتضمن تحميل الشيفرة البرمجية والبحث في الجداول والكتابة في الذاكرة، لذا تُعَد المتابعة في عملية ارتباط دالة غير مُستخدَمة مضيعة للوقت، حيث يؤجِّل الارتباط الكسول هذه العملية حتى يستدعي جدولُ PLT الدالةَ الفعلية. لكل دالة في مكتبةٍ مدخلةٌ في جدول PLT تؤشّر في البداية إلى بعض الشيفرات البرمجية الوهمية Dummy Code الخاصة. إن استدعى البرنامج الدالة، فهذا يعني أنه يستدعي مدخلة من جدول PLT باستخدام الطريقة نفسها للإشارة إلى المتغيرات في جدول GOT نفسها. تحمّل هذه الدالة الوهمية بعض المعاملات التي تريد تمريرها إلى الرابط الديناميكي لتتمكن من تحليل الدالة ثم استدعاء دالة بحث خاصة بالرابط الديناميكي. يجد الرابط الديناميكي عنوان الدالة الفعلي، ويكتب هذا الموقع في استدعاء الملف الثنائي في أعلى استدعاء الدالة الوهمية، وبالتالي يمكن تحميل العنوان دون الحاجة إلى العودة إلى المحمل الديناميكي مرة أخرى في المرة التالية لاستدعاء الدالة. إن لم تُستدعَى دالةٌ مطلقًا، فلن تُعدَّل مدخلة جدول PLT أبدًا ولكن لن يكون هناك وقت تشغيل إضافي. كيفية عمل جدول PLT يجب أن تبدأ الآن في إدراك أن هناك قدرًا لا بأس به من العمل في تحليل رمز ديناميكي. لنطلع على تطبيق "hello World" البسيط الذي يجري استدعاء مكتبة واحد فقط هو استدعاء الدالة printf لعرض السلسلة النصية للمستخدم كما يلي: $ cat hello.c #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello, World!\n"); return 0; } $ gcc -o hello hello.c $ readelf --relocs ./hello Relocation section '.rela.dyn' at offset 0x3f0 contains 2 entries: Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend 6000000000000ed8 000700000047 R_IA64_FPTR64LSB 0000000000000000 _Jv_RegisterClasses + 0 6000000000000ee0 000900000047 R_IA64_FPTR64LSB 0000000000000000 __gmon_start__ + 0 Relocation section '.rela.IA_64.pltoff' at offset 0x420 contains 3 entries: Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend 6000000000000f10 000200000081 R_IA64_IPLTLSB 0000000000000000 printf + 0 6000000000000f20 000800000081 R_IA64_IPLTLSB 0000000000000000 __libc_start_main + 0 6000000000000f30 000900000081 R_IA64_IPLTLSB 0000000000000000 __gmon_start__ + 0 يمكننا أن نرى في المثال السابق أن لدينا الانتقال R_IA64_IPLTLSB للرمز printf الذي يمثل وضع عنوان رمز هذه الدالة في عنوان الذاكرة 0x6000000000000f10. يجب أن نبدأ في البحث بصورة أعمق للعثور على الإجراء الدقيق الذي يعطينا الدالة. سنلقي في المثال التالي نظرة على تفكيك الدالة الرئيسية main()‎ الخاصة بالبرنامج: 4000000000000790 <main>: 4000000000000790: 00 08 15 08 80 05 [MII] alloc r33=ar.pfs,5,4,0 4000000000000796: 20 02 30 00 42 60 mov r34=r12 400000000000079c: 04 08 00 84 mov r35=r1 40000000000007a0: 01 00 00 00 01 00 [MII] nop.m 0x0 40000000000007a6: 00 02 00 62 00 c0 mov r32=b0 40000000000007ac: 81 0c 00 90 addl r14=72,r1;; 40000000000007b0: 1c 20 01 1c 18 10 [MFB] ld8 r36=[r14] 40000000000007b6: 00 00 00 02 00 00 nop.f 0x0 40000000000007bc: 78 fd ff 58 br.call.sptk.many b0=4000000000000520 <_init+0xb0> 40000000000007c0: 02 08 00 46 00 21 [MII] mov r1=r35 40000000000007c6: e0 00 00 00 42 00 mov r14=r0;; 40000000000007cc: 01 70 00 84 mov r8=r14 40000000000007d0: 00 00 00 00 01 00 [MII] nop.m 0x0 40000000000007d6: 00 08 01 55 00 00 mov.i ar.pfs=r33 40000000000007dc: 00 0a 00 07 mov b0=r32 40000000000007e0: 1d 60 00 44 00 21 [MFB] mov r12=r34 40000000000007e6: 00 00 00 02 00 80 nop.f 0x0 40000000000007ec: 08 00 84 00 br.ret.sptk.many b0;; يجب أن يكون استدعاء العنوان 0x4000000000000520 هو استدعاء الدالة printf، حيث يمكننا معرفة مكان هذا العنوان من خلال الاطلاع الأقسام Sections باستخدام الأداة readelf كما يلي: $ readelf --sections ./hello There are 40 section headers, starting at offset 0x25c0: Section Headers: [Nr] Name Type Address Offset Size EntSize Flags Link Info Align [ 0] NULL 0000000000000000 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0 0 0 ... [11] .plt PROGBITS 40000000000004c0 000004c0 00000000000000c0 0000000000000000 AX 0 0 32 [12] .text PROGBITS 4000000000000580 00000580 00000000000004a0 0000000000000000 AX 0 0 32 [13] .fini PROGBITS 4000000000000a20 00000a20 0000000000000040 0000000000000000 AX 0 0 16 [14] .rodata PROGBITS 4000000000000a60 00000a60 000000000000000f 0000000000000000 A 0 0 8 [15] .opd PROGBITS 4000000000000a70 00000a70 0000000000000070 0000000000000000 A 0 0 16 [16] .IA_64.unwind_inf PROGBITS 4000000000000ae0 00000ae0 00000000000000f0 0000000000000000 A 0 0 8 [17] .IA_64.unwind IA_64_UNWIND 4000000000000bd0 00000bd0 00000000000000c0 0000000000000000 AL 12 c 8 [18] .init_array INIT_ARRAY 6000000000000c90 00000c90 0000000000000018 0000000000000000 WA 0 0 8 [19] .fini_array FINI_ARRAY 6000000000000ca8 00000ca8 0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8 [20] .data PROGBITS 6000000000000cb0 00000cb0 0000000000000004 0000000000000000 WA 0 0 4 [21] .dynamic DYNAMIC 6000000000000cb8 00000cb8 00000000000001e0 0000000000000010 WA 5 0 8 [22] .ctors PROGBITS 6000000000000e98 00000e98 0000000000000010 0000000000000000 WA 0 0 8 [23] .dtors PROGBITS 6000000000000ea8 00000ea8 0000000000000010 0000000000000000 WA 0 0 8 [24] .jcr PROGBITS 6000000000000eb8 00000eb8 0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8 [25] .got PROGBITS 6000000000000ec0 00000ec0 0000000000000050 0000000000000000 WAp 0 0 8 [26] .IA_64.pltoff PROGBITS 6000000000000f10 00000f10 0000000000000030 0000000000000000 WAp 0 0 16 [27] .sdata PROGBITS 6000000000000f40 00000f40 0000000000000010 0000000000000000 WAp 0 0 8 [28] .sbss NOBITS 6000000000000f50 00000f50 0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8 [29] .bss NOBITS 6000000000000f58 00000f50 0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8 [30] .comment PROGBITS 0000000000000000 00000f50 00000000000000b9 0000000000000000 0 0 1 [31] .debug_aranges PROGBITS 0000000000000000 00001010 0000000000000090 0000000000000000 0 0 16 [32] .debug_pubnames PROGBITS 0000000000000000 000010a0 0000000000000025 0000000000000000 0 0 1 [33] .debug_info PROGBITS 0000000000000000 000010c5 00000000000009c4 0000000000000000 0 0 1 [34] .debug_abbrev PROGBITS 0000000000000000 00001a89 0000000000000124 0000000000000000 0 0 1 [35] .debug_line PROGBITS 0000000000000000 00001bad 00000000000001fe 0000000000000000 0 0 1 [36] .debug_str PROGBITS 0000000000000000 00001dab 00000000000006a1 0000000000000001 MS 0 0 1 [37] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 0000244c 000000000000016f 0000000000000000 0 0 1 [38] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00002fc0 0000000000000b58 0000000000000018 39 60 8 [39] .strtab STRTAB 0000000000000000 00003b18 0000000000000479 0000000000000000 0 0 1 Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific) يوجد هذا العنوان في القسم ‎.plt كما هو متوقع حيث يوجد استدعاؤها في جدول PLT. لكن لنواصل البحث أكثر ولنفكك القسم ‎.plt لنرى ما يفعله هذا الاستدعاء كما يلي: 40000000000004c0 <.plt>: 40000000000004c0: 0b 10 00 1c 00 21 [MMI] mov r2=r14;; 40000000000004c6: e0 00 08 00 48 00 addl r14=0,r2 40000000000004cc: 00 00 04 00 nop.i 0x0;; 40000000000004d0: 0b 80 20 1c 18 14 [MMI] ld8 r16=[r14],8;; 40000000000004d6: 10 41 38 30 28 00 ld8 r17=[r14],8 40000000000004dc: 00 00 04 00 nop.i 0x0;; 40000000000004e0: 11 08 00 1c 18 10 [MIB] ld8 r1=[r14] 40000000000004e6: 60 88 04 80 03 00 mov b6=r17 40000000000004ec: 60 00 80 00 br.few b6;; 40000000000004f0: 11 78 00 00 00 24 [MIB] mov r15=0 40000000000004f6: 00 00 00 02 00 00 nop.i 0x0 40000000000004fc: d0 ff ff 48 br.few 40000000000004c0 <_init+0x50>;; 4000000000000500: 11 78 04 00 00 24 [MIB] mov r15=1 4000000000000506: 00 00 00 02 00 00 nop.i 0x0 400000000000050c: c0 ff ff 48 br.few 40000000000004c0 <_init+0x50>;; 4000000000000510: 11 78 08 00 00 24 [MIB] mov r15=2 4000000000000516: 00 00 00 02 00 00 nop.i 0x0 400000000000051c: b0 ff ff 48 br.few 40000000000004c0 <_init+0x50>;; 4000000000000520: 0b 78 40 03 00 24 [MMI] addl r15=80,r1;; 4000000000000526: 00 41 3c 70 29 c0 ld8.acq r16=[r15],8 400000000000052c: 01 08 00 84 mov r14=r1;; 4000000000000530: 11 08 00 1e 18 10 [MIB] ld8 r1=[r15] 4000000000000536: 60 80 04 80 03 00 mov b6=r16 400000000000053c: 60 00 80 00 br.few b6;; 4000000000000540: 0b 78 80 03 00 24 [MMI] addl r15=96,r1;; 4000000000000546: 00 41 3c 70 29 c0 ld8.acq r16=[r15],8 400000000000054c: 01 08 00 84 mov r14=r1;; 4000000000000550: 11 08 00 1e 18 10 [MIB] ld8 r1=[r15] 4000000000000556: 60 80 04 80 03 00 mov b6=r16 400000000000055c: 60 00 80 00 br.few b6;; 4000000000000560: 0b 78 c0 03 00 24 [MMI] addl r15=112,r1;; 4000000000000566: 00 41 3c 70 29 c0 ld8.acq r16=[r15],8 400000000000056c: 01 08 00 84 mov r14=r1;; 4000000000000570: 11 08 00 1e 18 10 [MIB] ld8 r1=[r15] 4000000000000576: 60 80 04 80 03 00 mov b6=r16 400000000000057c: 60 00 80 00 br.few b6;; إذًا لنمر على التعليمات، حيث أضفنا أولًا القيمة 80 إلى القيمة الموجودة في المسجّل r1، وخزّناها في المسجّل r15. سيؤشّر المسجل r1 إلى جدول GOT، مما يعني تخزين المسجل r15 الذي يحتوي على 80 بايت في جدول GOT. ثانيًا، حمّلنا القيمة المخزنة في هذا الموقع من جدول GOT إلى المسجّل r16، ثم زدنا القيمة الموجودة في المسجل r15 بمقدار 8 بايتات. ثالثًا، خزّنا المسجّل r1 -أو موقع جدول GOT- في المسجّل r14 وضبطنا القيمة الموجودة في المسجل r1 لتكون القيمة الموجودة في 8 بايتات التالية للمسجّل r15، ثم نتفرّع إلى المسجل r16. ناقشنا سابقًا كيفية استدعاء الدوال باستخدام واصف الدالة Function Descriptor الذي يحتوي على عنوان الدالة وعنوان المؤشر العام. يمكننا أن نرى أن مدخلة جدول PLT تحمّل أولًا قيمة الدالة، مما يؤدي إلى الانتقال بمقدار 8 بايتات إلى الجزء الثاني من واصف الدالة ثم تحميل تلك القيمة في مسجّل العملية Op Register قبل استدعاء الدالة. نعلم أن المسجل r1 سيؤشّر إلى جدول GOT، ثم سنذهب بمقدار 80 بايت بعد جدول GOT أي بمقدار (0x50). $ objdump --disassemble-all ./hello Disassembly of section .got: 6000000000000ec0 <.got>: ... 6000000000000ee8: 80 0a 00 00 00 00 data8 0x02a000000 6000000000000eee: 00 40 90 0a dep r0=r0,r0,63,1 6000000000000ef2: 00 00 00 00 00 40 [MIB] (p20) break.m 0x1 6000000000000ef8: a0 0a 00 00 00 00 data8 0x02a810000 6000000000000efe: 00 40 50 0f br.few 6000000000000ef0 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x30> 6000000000000f02: 00 00 00 00 00 60 [MIB] (p58) break.m 0x1 6000000000000f08: 60 0a 00 00 00 00 data8 0x029818000 6000000000000f0e: 00 40 90 06 br.few 6000000000000f00 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x40> Disassembly of section .IA_64.pltoff: 6000000000000f10 <.IA_64.pltoff>: 6000000000000f10: f0 04 00 00 00 00 [MIB] (p39) break.m 0x0 6000000000000f16: 00 40 c0 0e 00 00 data8 0x03b010000 6000000000000f1c: 00 00 00 60 data8 0xc000000000 6000000000000f20: 00 05 00 00 00 00 [MII] (p40) break.m 0x0 6000000000000f26: 00 40 c0 0e 00 00 data8 0x03b010000 6000000000000f2c: 00 00 00 60 data8 0xc000000000 6000000000000f30: 10 05 00 00 00 00 [MIB] (p40) break.m 0x0 6000000000000f36: 00 40 c0 0e 00 00 data8 0x03b010000 6000000000000f3c: 00 00 00 60 data8 0xc000000000 إذا أضفنا القيمة 0x50 إلى العنوان 0x6000000000000ec0، فسنصل إلى العنوان 0x6000000000000f10 أو القسم ‎.IA_64.pltoff. يمكننا فك شيفرة خرج البرنامج objdump لنتمكّن من رؤية ما جرى تحميله بالضبط. يؤدي تبديل ترتيب البايت لأول 8 بايتات f0 04 00 00 00 00 00 40 إلى الحصول على العنوان 0x4000000000004f0، إذ يبدو هذا العنوان مألوفًا، حيث إذا نظرنا إلى الوراء في ناتج التجميع الخاص بجدول PLT ، فسنرى ذلك العنوان. أولًا تضع الشيفرة البرمجية الموجودة عند العنوان 0x4000000000004f0 قيمة صفرية في المسجل r15، ثم تتفرع مرة أخرى إلى العنوان 0x40000000000004c0، ولكن يُعَد هذا العنوان بداية القسم PLT. يمكننا تتبّع هذه الشيفرة البرمجية، إذ نحفظ أولًا قيمة المؤشر العام في المسجل r2، ثم نحمل ثلاث قيم بحجم 8 بايتات في المسجلات r16 وr17 وr1، ثم نتفرع إلى العنوان الموجود في المسجل r17، حيث يمثّل تلك العملية الاستدعاء الفعلي للرابط الديناميكي. يجب أن نتعمق قليلًا في فهم واجهة ABI التي تعطينا مفهومين لنفهم بالضبط ما يجري تحميله الآن، وهذا المفهومان هما أنه يجب أن تحتوي البرامج المرتبطة ديناميكيًا على قسم خاص يسمى القسم DT_IA_64_PLT_RESERVE الذي يمكنه الاحتفاظ بثلاث قيم بحجم 8 بايتات، ويوجد مؤشر في مكان وجود هذه المنطقة المحجوزة في المقطع الديناميكي للملف الثنائي الموضّح في المثال التالي: Dynamic segment at offset 0xcb8 contains 25 entries: Tag Type Name/Value 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6.1] 0x000000000000000c (INIT) 0x4000000000000470 0x000000000000000d (FINI) 0x4000000000000a20 0x0000000000000019 (INIT_ARRAY) 0x6000000000000c90 0x000000000000001b (INIT_ARRAYSZ) 24 (bytes) 0x000000000000001a (FINI_ARRAY) 0x6000000000000ca8 0x000000000000001c (FINI_ARRAYSZ) 8 (bytes) 0x0000000000000004 (HASH) 0x4000000000000200 0x0000000000000005 (STRTAB) 0x4000000000000330 0x0000000000000006 (SYMTAB) 0x4000000000000240 0x000000000000000a (STRSZ) 138 (bytes) 0x000000000000000b (SYMENT) 24 (bytes) 0x0000000000000015 (DEBUG) 0x0 0x0000000070000000 (IA_64_PLT_RESERVE) 0x6000000000000ec0 -- 0x6000000000000ed8 0x0000000000000003 (PLTGOT) 0x6000000000000ec0 0x0000000000000002 (PLTRELSZ) 72 (bytes) 0x0000000000000014 (PLTREL) RELA 0x0000000000000017 (JMPREL) 0x4000000000000420 0x0000000000000007 (RELA) 0x40000000000003f0 0x0000000000000008 (RELASZ) 48 (bytes) 0x0000000000000009 (RELAENT) 24 (bytes) 0x000000006ffffffe (VERNEED) 0x40000000000003d0 0x000000006fffffff (VERNEEDNUM) 1 0x000000006ffffff0 (VERSYM) 0x40000000000003ba 0x0000000000000000 (NULL) 0x0 لاحظ أننا حصلنا على قيمة جدول GOT نفسه، وهذا يعني أن أول ثلاث مدخلات بحجم 8 بايتات في جدول GOT تمثل المنطقة المحجوزة، وبالتالي سيُؤشَّر إليها دائمًا باستخدام المؤشر العام. يجب أن يملأ الرابط الديناميكي هذه القيم عند بدء تشغيله، حيث تحدّد واجهة ABI أنه يجب ملء القيمة الأولى بواسطة الرابط الديناميكي الذي يمنح هذه الوحدة معرفًا فريدًا، والقيمة الثانية هي قيمة المؤشر العام للرابط الديناميكي، والقيمة الثالثة هي عنوان الدالة التي تبحث عن الرمز وتصلحه. يوضّح المثال التالي شيفرة برمجية في الرابط الديناميكي لإعداد قيم خاصة من المكتبة libc أو من sysdeps/ia64/dl-machine.h: ‫/* ‫إعداد الكائن المحمَّل الموصوف باستخدام المتغير L حتى تقفز مدخلات جدول PLT التي ليس لها انتقالات إلى ‫شيفرة الإصلاح البرمجية عند الطلب في ملف dl-runtime.c. */ static inline int __attribute__ ((unused, always_inline)) elf_machine_runtime_setup (struct link_map *l, int lazy, int profile) { extern void _dl_runtime_resolve (void); extern void _dl_runtime_profile (void); if (lazy) { register Elf64_Addr gp __asm__ ("gp"); Elf64_Addr *reserve, doit; /* * ‫احذر من تبديل الأنواع Typecast هنا أو ستُضاف عناصر مؤشر l-l_addr */ reserve = ((Elf64_Addr *) (l->l_info[DT_IA_64 (PLT_RESERVE)]->d_un.d_ptr + l->l_addr)); /* تعريف هذا الكائن المشترك */ reserve[0] = (Elf64_Addr) l; ‫/* ستُستدعَى هذه الدالة لتطبيق الانتقال‫ Relocation */ if (!profile) doit = (Elf64_Addr) ((struct fdesc *) &_dl_runtime_resolve)->ip; else { if (GLRO(dl_profile) != NULL && _dl_name_match_p (GLRO(dl_profile), l)) { ‫/* ‫هذا هو الكائن الذي نبحث عنه. لنفترض أننا نريد استخدام التشخيص Profiling مع بدء المؤقتات */ GL(dl_profile_map) = l; } doit = (Elf64_Addr) ((struct fdesc *) &_dl_runtime_profile)->ip; } reserve[1] = doit; reserve[2] = gp; } return lazy; } يمكننا أن نرى كيفية إعداد هذه القيم بواسطة الرابط الديناميكي من خلال النظر في الدالة التي تطبّق ذلك للملف الثنائي. يُضبَط المتغير reserve من مؤشر القسم PLT_RESERVE في الملف الثنائي. تمثل القيمة الفريدة الموضوعة في reserve[0]‎ عنوان خارطة الربط Link Map لهذا الكائن، حيث تُعَد خارطة الربط التمثيل الداخلي ضمن مكتبة glibc للكائنات المشتركة. نضع بعد ذلك عنوان الدالة ‎_dl_runtime_resolve في القيمة الثانية بافتراض أننا لا نستخدم عملية التشخيص Profiling، ثم تُضبط قيمة reserve[2]‎ على gp التي يمكن العثور عليها في المسجل r2 باستخدام الاستدعاء __asm__. إذا عدنا إلى الوراء في واجهة ABI، فسنرى أنه يجب وضع فهرس انتقال للمدخلة في المسجل r15 ويجب تمرير المعرّف الفريد في المسجل r16. ضُبِط المسجل r15 مسبقًا في الشيفرة الاختبارية Stub Code قبل العودة إلى بداية جدول PLT. ألقِ نظرة على المدخلات، ولاحظ كيف تحمِّل كل مدخلة في جدول PLT المسجل r15 مع قيمة متزايدة، إذ لا ينبغي أن يكون ذلك مفاجئًا إذا نظرت إلى عمليات الانتقال، حيث يكون لانتقال الدالة printf العدد صفر. نحمّل المسجل r16 من القيم التي هيّأها الرابط الديناميكي، ثم يمكننا تحميل عنوان الدالة والمؤشر العام والفرع في الدالة، ثم نشغّل دالة الرابط الديناميكي ‎_dl_runtime_resolve التي تعثر على الانتقال. يستخدم الانتقال اسم الرمز الذي حدّده للعثور على الدالة الصحيحة، حيث يمكن يتضمن ذلك تحميل المكتبة من القرص الصلب إن لم تكن موجودة في الذاكرة، وإلّا فيجب مشاركة الشيفرة البرمجية. يوفر سجلُ الانتقال للرابط الديناميكي العنوانَ الذي يجب إصلاحه، حيث كان هذا العنوان موجودًا في جدول GOT ثم حمّلته شيفرة PLT الاختبارية، وهذا يعني أنه يمكن الحصول على عنوان الدالة المباشر أو ما يسمى بتقصير دورة الرابط الديناميكي بعد المرة الأولى التي تُستدعَى فيها الدالة أي في المرة الثانية لتحميلها. رأينا الآلية الدقيقة لعمل جدول PLT والعمل الداخلي للرابط الديناميكي. النقاط المهمة التي يجب تذكرها هي: تستدعي استدعاءات المكتبة في برنامجك الشيفرة الاختبارية في جدول PLT الخاص بالملف الثنائي. تحمّل هذه الشيفرة الاختبارية عنوانًا وتقفز إليه. يؤشّر هذا العنوان إلى دالةٍ في الرابط الديناميكي قادرةٍ على البحث عن الدالة الحقيقية من خلال النظر إلى المعلومات الواردة في مدخلة الانتقال لتلك الدالة. يعيد الرابط الديناميكي كتابة العنوان الذي تقرأه الشيفرة الاختبارية، بحيث تنتقل الدالة مباشرة إلى العنوان الصحيح في المرة التالية لاستدعائها. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين Libraries و Libraries من الفصلين Behind the process و Dynamic Linking من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضا المقال السابق: مفهوم الربط الديناميكي Dynamic Linking في معمارية الحاسوب المقال التالي: طريقة عمل الرابط الديناميكي مع المكتبات في معمارية الحاسوب أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب تعرف على وحدة المعالجة المركزية وعملياتها في معمارية الحاسوب أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحاسوب الحديثة دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب

تُعَد شيفرة نظام التشغيل البرمجية للقراءة فقط وتكون منفصلة عن البيانات، لذا إن لم تتمكن البرامج من تعديل الشيفرة البرمجية مع وجود كميات كبيرة من الشيفرة البرمجية المشتركة أمرًا منطقيًا، إذ يجب مشاركتها بين العديد من الملفات القابلة للتنفيذ بدلًا من تكرارها لكل ملف منها. يمكن تطبيق ذلك بسهولة باستخدام الذاكرة الوهمية، إذ يمكن الرجوع بسهولة إلى صفحات الذاكرة الحقيقية التي جرى تحميل شيفرة المكتبة البرمجية إليها من خلال عدد من الصفحات الوهمية في عددٍ من فضاءات العناوين. لذا يمكن لكل عملية الوصول إلى شيفرة المكتبة البرمجية باستخدام أيّ عنوان وهمي تريده، بينما يكون لديك نسخة حقيقية واحدة فقط من هذه الشيفرة في ذاكرة النظام. وبذلك توصل المبرمجون بسرعة إلى فكرة المكتبة المشتركة Shared Library التي -كما يوحي الاسم- يمكن مشاركتها بين العديد من الملفات القابلة للتنفيذ. يحتوي كل ملف قابل للتنفيذ على مرجع يقول: "أحتاج مكتبة Foo مثلًا"، حيث يُترَك الأمر للنظام عند تحميل البرنامج للتحقق من وجود برنامج آخر حمّل شيفرة هذه المكتبة في الذاكرة ثم مشاركتها من خلال ربط صفحات الملف القابل للتنفيذ مع الذاكرة الحقيقية، أو يمكنه تحميل المكتبة في ذاكرة الملف القابل للتنفيذ. تسمى هذه العملية بالربط الديناميكي Dynamic Linking، لأنها تطبّق جزءًا من عملية الربط مباشرةً عند تنفيذ البرامج في النظام. تفاصيل المكتبة الديناميكية تشبه المكتبات إلى حدٍ كبير برنامجًا لا يُشغَّل أبدًا، إذ لديها قسم الشيفرة البرمجية وقسم البيانات (الدوال والمتغيرات) تمامًا مثل الملفات القابل للتنفيذ، ولكن لا يمكن تشغيلها، فهي توفر فقط مكتبة من الدوال للمطورين لاستدعائها. لذا يمكن ملف ELF أن يمثل مكتبة ديناميكية تمامًا كما يمثل ملفًا قابلًا للتنفيذ مع وجود بعض الاختلافات الأساسية مثل عدم وجود مؤشر للمكان الذي يجب أن يبدأ فيه التنفيذ، ولكن تُعَد جميع المكتبات المشتركة مجرد كائنات بصيغة ELF مثل أي ملف آخر قابل للتنفيذ. تحتوي ترويسة ملف ELF على رايتين حصريتين هما ET_EXEC وET_DYN لتمييز ملف ELF بوصفه ملفًا قابلًا للتنفيذ أو ملفَ كائن مشترك. تضمين المكتبات في ملف قابل للتنفيذ يمكن تضمين المكتبات في ملف قابل للتنفيذ ولكن يجب أن نراعي مسألتين مهمتين متعلقتين بالمصرِّف والرابط الديناميكي كما سنوضح الآن. التصريف Compilation تمتلك ملفات الكائنات مراجعًا إلى دوال المكتبة تمامًا كما هو الحال مع أيّ مرجع خارجي آخر عندما تصرِّف برنامجك الذي يستخدم مكتبة ديناميكية. يجب تضمين ترويسة المكتبة ليعرف المصرِّف الأنواع المحددة للدوال التي تستدعيها، إذ يحتاج المصرِّف فقط معرفةَ الأنواع المرتبطة بالدالة (مثل أن تأخذ الدالة النوع int وتعيد النوع char *‎) بحيث يمكنه تخصيص مساحة لاستدعاء الدالة بصورة صحيحة. لم يكن هذا هو الحال دائمًا مع معايير لغة C، إذ افترضت المصِّرفات سابقًا أن أيّ دالة غير معروفة تعيد قيمة من النوع int. يكون لحجم المؤشر في نظام 32 بت حجم النوع int نفسه، لذلك لا توجد مشكلة في ذلك، ولكن يكون حجم المؤشر ضعف حجم int في نظام 64 بت، لذلك إذا أعادت الدالة مؤشرًا، فستُدمَّر قيمتها. يُعَد ذلك الأمر غير مقبول، لأن المؤشر لن يؤشّر إلى ذاكرة صالحة، ولكن تغيّر معيار C99 بحيث يُطلَب منك تحديد أنواع الدوال المُضمَّنة. الربط Linking يطبّق الرابط الديناميكي الكثير من العمل للمكتبات المشتركة، ولكن لا يزال الرابط التقليدي يلعب دورًا هامًا في إنشاء الملف القابل للتنفيذ، إذ يجب أن يضع الرابط التقليدي مؤشرًا في الملف القابل للتنفيذ حتى يعرف الرابط الديناميكي المكتبة التي ستحقّق الاعتماديات Dependencies في وقت التشغيل. يتطلب القسم dynamic من الملف القابل للتنفيذ مدخلة مطلوبة NEEDED لكل مكتبة مشتركة يعتمد عليها الملف القابل للتنفيذ. يمكننا فحص هذه الحقول باستخدام برنامج readelf. سنلقي فيما يلي نظرة على ملف ثنائي معياري ‎/bin/ls يمثل تحديد المكتبات الديناميكية: $ readelf --dynamic /bin/ls Dynamic segment at offset 0x22f78 contains 27 entries: Tag Type Name/Value 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [librt.so.1] 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libacl.so.1] 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6.1] 0x000000000000000c (INIT) 0x4000000000001e30 ... snip ... يمكنك أن ترى أن المثال السابق يحدد ثلاث مكتبات. المكتبة الأكثر شيوعًا التي تتشارك بها أغلبية البرامج الموجودة على النظام -إن لم تكن جميعها- هي مكتبة libc، وهناك بعض المكتبات الأخرى التي يحتاجها البرنامج ليعمل بصورة صحيحة. تكون قراءة ملف ELF المباشرة مفيدةً أحيانًا، ولكن الطريقة المعتادة لفحص ملف قابل للتنفيذ مرتبط ديناميكيًا هي باستخدام أداة ldd التي تمر على اعتماديات المكتبات، حيث ستظهِر لك إذا كانت المكتبة معتمدة على مكتبة أخرى كما يلي: $ ldd /bin/ls librt.so.1 => /lib/tls/librt.so.1 (0x2000000000058000) libacl.so.1 => /lib/libacl.so.1 (0x2000000000078000) libc.so.6.1 => /lib/tls/libc.so.6.1 (0x2000000000098000) libpthread.so.0 => /lib/tls/libpthread.so.0 (0x20000000002e0000) /lib/ld-linux-ia64.so.2 => /lib/ld-linux-ia64.so.2 (0x2000000000000000) libattr.so.1 => /lib/libattr.so.1 (0x2000000000310000) $ readelf --dynamic /lib/librt.so.1 Dynamic segment at offset 0xd600 contains 30 entries: Tag Type Name/Value 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6.1] 0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libpthread.so.0] ... snip ... يمكننا أن نرى في المثال السابق أن مكتبة libpthread مطلوبة من مكان ما، حيث إذا تعمّقنا قليلًا، فيمكننا أن نرى أنها مطلوبة من المكتبة librt. الرابط الديناميكي Dynamic Linker الرابط الديناميكي هو البرنامج الذي يدير المكتبات الديناميكية المشتركة بدلًا من الملف القابل للتنفيذ، ويعمل على تحميل المكتبات في الذاكرة وتعديل البرنامج في وقت التشغيل لاستدعاء الدوال الموجودة في المكتبة. يسمح ملف ELF للملفات القابلة للتنفيذ بتحديد المفسّر Interpreter الذي هو برنامج يجب استخدامه لتشغيل الملف القابل للتنفيذ. يضبط المصرِّف Compiler والرابط الساكن Static Linker مفسّر الملفات القابلة للتنفيذ الذي يعتمد على المكتبات الديناميكية ليكون الرابط الديناميكي. يوضَح المثال التالي كيفية التحقق من مفسّر البرنامج: ianw@lime:~/programs/csbu$ readelf --headers /bin/ls Program Headers: Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flags Align PHDR 0x0000000000000040 0x4000000000000040 0x4000000000000040 0x0000000000000188 0x0000000000000188 R E 8 INTERP 0x00000000000001c8 0x40000000000001c8 0x40000000000001c8 0x0000000000000018 0x0000000000000018 R 1 [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux-ia64.so.2] LOAD 0x0000000000000000 0x4000000000000000 0x4000000000000000 0x0000000000022e40 0x0000000000022e40 R E 10000 LOAD 0x0000000000022e40 0x6000000000002e40 0x6000000000002e40 0x0000000000001138 0x00000000000017b8 RW 10000 DYNAMIC 0x0000000000022f78 0x6000000000002f78 0x6000000000002f78 0x0000000000000200 0x0000000000000200 RW 8 NOTE 0x00000000000001e0 0x40000000000001e0 0x40000000000001e0 0x0000000000000020 0x0000000000000020 R 4 IA_64_UNWIND 0x0000000000022018 0x4000000000022018 0x4000000000022018 0x0000000000000e28 0x0000000000000e28 R 8 يمكنك أن ترى في المثال السابق أن المفسّر مضبوط ليكون ‎/lib/ld-linux-ia64.so.2 أي يمثل الرابط الديناميكي. تتحقق النواة Kernel عندما تحمّل الملف الثنائي للتنفيذ مما إذا كان الحقل PT_INTERP موجودًا، حيث إذا كان موجودًا، فيجب تحميل ما يؤشّر إليه في الذاكرة وتشغيله. ذكرنا أن للملفات القابلة للتنفيذ المرتبطة ديناميكيًا مراجع يجب إصلاحها باستخدام معلومات غير متوفرة حتى وقت التشغيل مثل عنوان دالة موجودة في مكتبة مشتركة، وتسمَّى هذه المراجع بالانتقالات Relocations. الانتقالات Relocations يتمثل الجزء الأساسي من الرابط الديناميكي في إصلاح العناوين في وقت التشغيل الذي يُعَد المرة الوحيدة التي يمكنك أن تعرف فيها مكان تحميلك في الذاكرة بالضبط. يمكن التفكير في الانتقالات بأنها ملاحظة أن عنوانًا معينًا يجب إصلاحه في وقت التحميل، حيث يجب قراءة جميع الانتقالات وإصلاح العناوين التي تشير إليها للإشارة إلى المكان الصحيح قبل أن تصبح الشيفرة البرمجية جاهزة للتشغيل. إليك مثال عن عملية انتقال: العنوان الحدث 0x123456 عنوان الرمز "x" 0x564773 الدالة X هناك العديد من أنواع الانتقالات لكل معمارية، حيث يُوثَّق السلوك الدقيق لكل نوع بوصفه جزءًا من واجهة ABI الخاصة بالنظام. يُعَد تعريف الانتقالات واضحًا وسهلًا كما في المثال التالي: typedef struct { Elf32_Addr r_offset; <--- address to fix Elf32_Word r_info; <--- symbol table pointer and relocation type } typedef struct { Elf32_Addr r_offset; Elf32_Word r_info; Elf32_Sword r_addend; } Elf32_Rela يشير الحقل r_offset إلى الإزاحة في الملف التي يجب إصلاحها، ويحدد الحقل r_info نوع الانتقال الذي يصِف بالضبط ما يجب تطبيقه لإصلاح هذه الشيفرة البرمجية. تُعَد قيمة الرمز أبسط عملية انتقال مُعرَّفة لمعماريةٍ ما، حيث يمكنك ببساطة في هذه الحالة استبدال عنوان الرمز في الموقع المحدد، وبالتالي سيكتمل إصلاح عملية الانتقال. يوجد نوعان من الطرق المُستخدمة لتشغيل الانتقالات أحدهما مع قيمة مُضافة والآخر بدونها. القيمة المضافة هي ببساطة شيء يجب إضافته إلى العنوان الذي جرى إصلاحه للعثور على العنوان الصحيح، فمثلًا إذا كان الانتقال للرمز i مثلًا، فستُضبَط القيمة المُضافة على القيمة 8 لأن الشيفرة البرمجية الأصلية تطبّق شيئًا مثل i[8]‎، وهذا يعني العثور على عنوان i ثم تجاوزه بمقدار 8. يجب تخزين هذه القيمة المضافة في مكان ما، فمثلًا تُخزَّن في صيغة REL القيمة المُضافة في شيفرة البرنامج ضمن المكان الذي يجب أن يكون فيه العنوان الذي جرى إصلاحه. لذا يجب إصلاح العنوان بصورة صحيحة من خلال قراءة الذاكرة التي تريد إصلاحها للحصول على أيّ قيمة مضافة وتخزينها والعثور على العنوان الحقيقي وإضافة القيمة المضافة إليه ثم كتابته مرة أخرى فوق القيمة المضافة. بينما تحدد الصيغة RELA مكان القيمة المضافة في الانتقال مباشرةً. هناك بعض المقايضات لكلٍ من هاتين الصيغتين، إذ يجب في صيغة REL استخدام مرجع ذاكرة إضافي للعثور على القيمة المضافة قبل الإصلاح، لكنك لا تهدر مساحةً في الملف الثنائي لأنك تستخدم الذاكرة الهدف لعملية الانتقال. بينما يمكنك في صيغة RELA الاحتفاظ بالقيمة المضافة مع الانتقال، ولكنك تهدر هذه المساحة في ملف القرص الصلب الثنائي. تستخدم معظم الأنظمة الحديثة انتقالات RELA. كيفية عمل الانتقالات يوضح المثال التالي كيفية عمل الانتقالات، حيث سننشئ مكتبتين مشتركتين بسيطتين ونشير إلى إحدى المكتبتين من المكتبة الأخرى: $ cat addendtest.c extern int i[4]; int *j = i + 2; $ cat addendtest2.c int i[4]; $ gcc -nostdlib -shared -fpic -s -o addendtest2.so addendtest2.c $ gcc -nostdlib -shared -fpic -o addendtest.so addendtest.c ./addendtest2.so $ readelf -r ./addendtest.so Relocation section '.rela.dyn' at offset 0x3b8 contains 1 entries: Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend 0000000104f8 000f00000027 R_IA64_DIR64LSB 0000000000000000 i + 8 لدينا عملية انتقال واحدة في addendtest.so من النوع R_IA64_DIR64LSB الذي إن بحثت عنه في واجهة IA64 ABI، فيمكن تقسيمه إلى ما يلي: R_IA64: تبدأ جميع الانتقالات بهذه البادئة. DIR64: انتقال من النوع 64 بت المباشر. LSB: بما أن IA64 يمكن أن تعمل في أنماط Big Endian على تخزين البتات الأقل أهمية أولًا، و في أنماط Little Endian على تخزين البتات الأكثر أهمية أولًا، فسيكون هذا الانتقال Little Endian والذي يعني البايت الأقل أهميةً Least Significant Byte. تقول واجهة ABI أن هذا الانتقال يمثل قيمة الرمز الذي يؤشّر إليه مع أيّ قيمة مضافة. يمكننا أن نرى أن لدينا قيمة مضافة مقدارها 8 ، حيث أن حجم النوع int يساوي 4 أو sizeof(int) == 4، ونقلنا قيمتين من النوع int في المصفوفة أي ‎*j = i + 2. لذا يمكن إصلاح هذا الانتقال في وقت التشغيل من خلال العثور على عنوان الرمز i ووضع قيمته بالإضافة إلى القيمة 8 في 0x104f8. استقلال المواقع يُعطَى مقطع الشيفرة البرمجية ومقطع البيانات في ملف قابل للتنفيذ عنوانًا أساسيًا محددًا في الذاكرة الوهمية، لذا لا يمكن مشاركة شيفرة الملف القابل للتنفيذ الذي يحصل على فضاء عناوين جديد خاص به، وهذا يعني أن المصرِّف يعرف بالضبط مكان قسم البيانات ويمكنه الرجوع إليه مباشرةً. لا تمتلك المكتبات مثل هذا الضمان، إذ يمكنها معرفة أن قسم البيانات الخاص بها سيكون إزاحة محددة عن العنوان الأساسي، ولكن لا يمكن بالضبط معرفة مكان ذلك العنوان الأساسي إلّا في وقت التشغيل. لذا يجب إنشاء جميع المكتبات باستخدام شيفرة برمجية يمكن تنفيذها بغض النظر عن مكان وضعها في الذاكرة، ويُعرَف ذلك باسم الشيفرة المستقلة عن الموقع Position Independent Code، أو PIC اختصارًا. لاحظ أن قسم البيانات لا يزال يمثل إزاحة ثابتة عن قسم الشيفرة البرمجية، ولكن يجب إضافة الإزاحة إلى عنوان التحميل للعثور على عنوان البيانات. جدول الإزاحة العام Global Offset Table لا بد أنك لاحظت مشكلة خطيرة في الانتقالات Relocations عند التفكير في أهداف المكتبة المشتركة، حيث ذكرنا سابقًا أن ميزة المكتبة المشتركة مع الذاكرة الوهمية هي أن البرامج المتعددة يمكنها استخدام الشيفرة البرمجية الموجودة في الذاكرة من خلال مشاركة الصفحات. تنبع هذه المشكلة من حقيقة أن المكتبات ليس لديها أي ضمان حول مكان وضعها في الذاكرة، حيث سيجد الرابط الديناميكي المكان الأكثر ملاءمة في الذاكرة الوهمية لكل مكتبة مطلوبة ويضعها هناك. لكن إن لم يحدث ذلك، فستطلب كل مكتبة في النظام جزءها الخاص من الذاكرة الوهمية حتى لا تتداخل مع غيرها. تتطلب كل مكتبة جديدة في النظام تخصيصًا لها عند إضافتها، ويمكن كتابة مكتبة ضخمة لا تترك مساحةَ كافية للمكتبات الأخرى مع احتمالية ألّا يرغب برنامجك أبدًا في استخدام هذه المكتبة على أيّ حال. إذا عدّلتَ شيفرة مكتبة مشتركة لديها انتقال، فلن تصبح هذه الشيفرة البرمجية قابلةً للمشاركة، وبالتالي سنفقد ميزة المكتبة المشتركة. لنفترض أننا نأخذ قيمة رمزٍ ما، حيث سيكون لدينا باستخدام الانتقالات فقط رابط ديناميكي يبحث عن عنوان الذاكرة لهذا الرمز ويعيد كتابة الشيفرة البرمجية لتحميل هذا العنوان. يمكن تحسين هذا الموقف من خلال تخصيص مساحة في الملف الثنائي للاحتفاظ بعنوان هذا الرمز وجعل الرابط الديناميكي يضع العنوان هناك بدلًا من وضعه في الشيفرة البرمجية مباشرةً، وبالتالي لا نحتاج أبدًا إلى تعديل جزء الشيفرة البرمجية في الملف الثنائي. المنطقة المخصصة لهذه العناوين تسمى بجدول الإزاحة العام Global Offset Table -أو GOT اختصارًا- الذي يتواجد في القسم ‎.got من ملف ELF. يوضح الشكل التالي كيفية الوصول إلى الذاكرة باستخدام جدول GOT: يُعَد جدول GOT خاصًا بكل عملية، ويجب أن يكون للعملية أذونات للكتابة خاصة بها. بينما يمكن مشاركة شيفرة المكتبة ويجب أن يكون للعملية فقط أذونات قراءة وتنفيذ الشيفرة البرمجية، وإلا فسيكون هناك خرق أمني خطير إذا تمكنت العملية من تعديل الشيفرة البرمجية. كيفية عمل جدول GOT يوضح المثال التالي كيفية استخدام جدول GOT: $ cat got.c extern int i; void test(void) { i = 100; } $ gcc -nostdlib -shared -o got.so ./got.c $ objdump --disassemble ./got.so ./got.so: file format elf64-ia64-little Disassembly of section .text: 0000000000000410 <test>: 410: 0d 10 00 18 00 21 [MFI] mov r2=r12 416: 00 00 00 02 00 c0 nop.f 0x0 41c: 81 09 00 90 addl r14=24,r1;; 420: 0d 78 00 1c 18 10 [MFI] ld8 r15=[r14] 426: 00 00 00 02 00 c0 nop.f 0x0 42c: 41 06 00 90 mov r14=100;; 430: 11 00 38 1e 90 11 [MIB] st4 [r15]=r14 436: c0 00 08 00 42 80 mov r12=r2 43c: 08 00 84 00 br.ret.sptk.many b0;; $ readelf --sections ./got.so There are 17 section headers, starting at offset 0x640: Section Headers: [Nr] Name Type Address Offset Size EntSize Flags Link Info Align [ 0] NULL 0000000000000000 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0 0 0 [ 1] .hash HASH 0000000000000120 00000120 00000000000000a0 0000000000000004 A 2 0 8 [ 2] .dynsym DYNSYM 00000000000001c0 000001c0 00000000000001f8 0000000000000018 A 3 e 8 [ 3] .dynstr STRTAB 00000000000003b8 000003b8 000000000000003f 0000000000000000 A 0 0 1 [ 4] .rela.dyn RELA 00000000000003f8 000003f8 0000000000000018 0000000000000018 A 2 0 8 [ 5] .text PROGBITS 0000000000000410 00000410 0000000000000030 0000000000000000 AX 0 0 16 [ 6] .IA_64.unwind_inf PROGBITS 0000000000000440 00000440 0000000000000018 0000000000000000 A 0 0 8 [ 7] .IA_64.unwind IA_64_UNWIND 0000000000000458 00000458 0000000000000018 0000000000000000 AL 5 5 8 [ 8] .data PROGBITS 0000000000010470 00000470 0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 1 [ 9] .dynamic DYNAMIC 0000000000010470 00000470 0000000000000100 0000000000000010 WA 3 0 8 [10] .got PROGBITS 0000000000010570 00000570 0000000000000020 0000000000000000 WAp 0 0 8 [11] .sbss NOBITS 0000000000010590 00000590 0000000000000000 0000000000000000 W 0 0 1 [12] .bss NOBITS 0000000000010590 00000590 0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 1 [13] .comment PROGBITS 0000000000000000 00000590 0000000000000026 0000000000000000 0 0 1 [14] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 000005b6 000000000000008a 0000000000000000 0 0 1 [15] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00000a80 0000000000000258 0000000000000018 16 12 8 [16] .strtab STRTAB 0000000000000000 00000cd8 0000000000000045 0000000000000000 0 0 1 Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific) يوضّح المثال السابق كيفية إنشاء مكتبة مشتركة بسيطة تشير إلى رمز خارجي. لا نعرف عنوان هذا الرمز في وقت التصريف، لذلك نتركه للرابط الديناميكي لإصلاحه في وقت التشغيل. لكننا نريد أن تبقى الشيفرة البرمجية قابلةً للمشاركة في حالة رغبة العمليات الأخرى في استخدام هذه الشيفرة، حيث يوضّح التفكيك Disassembly كيفية تطبيق ذلك باستخدام القسم ‎.got. يُعرف المسجّل r1 في معمارية IA64 التي صُرِّفت المكتبة من أجلها بالمؤشر العام Global Pointer الذي يؤشّر دائمًا إلى مكان تحميل القسم ‎.got في الذاكرة. إذا ألقينا نظرة على خرج الأداة readelf، فيمكننا أن نرى أن القسم ‎.got يبدأ عند عنوان يبعد بمقدار 0x10570 بايت عن مكان تحميل المكتبة في الذاكرة. لذا إذا حُمِّلت المكتبة في الذاكرة عند العنوان 0x6000000000000000، فسيكون القسم ‎.got موجودًا عند العنوان 0x6000000000010570، وسيؤشّر المسجّل r1 دائمًا إلى هذا العنوان. كما يمكننا أن نرى أننا نخزن القيمة 100 في عنوان الذاكرة الموجود في المسجّل r15 الذي يحتوي على قيمة عنوان الذاكرة المخزن في المسجل 14، حيث حمّلنا هذا العنوان من خلال إضافة عدد صغير إلى المسجّل 1. يُعَد جدول GOT مجرد قائمة طويلة من المدخلات، حيث تكون كل مدخلة خاصةً بمتغير خارجي، مما يعني أن مدخلة جدول GOT الخاصة بالمتغير الخارجي i تخزّن 24 بايتًا أو 3 عناوين بحجم 64 بتًا. $ readelf --relocs ./got.so Relocation section '.rela.dyn' at offset 0x3f8 contains 1 entries: Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend 000000010588 000f00000027 R_IA64_DIR64LSB 0000000000000000 i + 0 كما يمكننا التحقق من انتقال مدخلة جدول GOT، حيث يمثل الانتقالُ استبدالَ القيمة عند الإزاحة 10588 بموقع الذاكرة الذي خُزِّن فيه الرمز i. يبدأ القسم ‎.got عند الإزاحة 0x10570 عن الخرج السابق، حيث رأينا كيف تحمّل الشيفرة البرمجية عنوانًا يبعد عن القسم ‎.got بمقدار 0x18 (أو 24 في النظام العشري)، مما يمنحنا عنوانًا مقداره 0x10570 + 0x18 = 0x10588 يمثّل العنوان الذي طُبِّق الانتقال لأجله. لذا يجب أن يصلح الرابط الديناميكي الانتقال قبل أن يبدأ البرنامج للتأكد من أن قيمة الذاكرة عند الإزاحة 0x10588 هي عنوان المتغير العام i. ترجمة -وبتصرُّف- للأقسام Code Sharing و The Dynamic Linker و Global Offset Tables من فصل Dynamic Linking من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: تطبيق عملي لبناء برنامج تنفيذي من شيفرة مصدرية بلغة C المقال التالي: المكتبات وكيفية استدعاء دوالها ديناميكيًا في معمارية الحاسوب أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب العمليات وعناصرها في نظام تشغيل الحاسوب

ذكرنا سابقًا أن البرنامج لا يبدأ بالدالة الرئيسية main()‎، حيث سنختبر في هذا المقال ما يحدث لبرنامج مرتبط ديناميكيًا عند تحميله وتشغيله. تخصّص النواة أولًا البنى لعملية جديدة وتقرأ ملف ELF المُحدَّد من القرص الصلب استجابةً لاستدعاء النظام exec. ذكرنا أن صيغة ELF لديها حقل لمفسّر Interpreter البرنامج هو PT_INTERP الذي يمكن ضبطه لتفسير البرنامج، حيث يكون المفسِّر بالنسبة للتطبيقات المرتبطة ديناميكيًا هو الرابط الديناميكي Dynamic Linker -أو ld.so- الذي يسمح بإجراء بعض عمليات الربط مباشرةً قبل بدء البرنامج. كما تقرأ النواة شيفرة الرابط الديناميكي، وتبدأ البرنامج من عنوان نقطة الدخول entry point الذي تحدده. سنختبر دور الرابط الديناميكي بالتفصيل لاحقًا، ولكن يكفي أن نقول أنه يضبط بعض الإعدادات مثل تحميل المكتبات التي يتطلبها التطبيق كما هو محدد في القسم الديناميكي من الملف الثنائي، ثم يبدأ تنفيذ البرنامج الثنائي عند عنوان نقطة الدخول أي الدالة ‎_init. اتصال النواة بالبرامج تحتاج النواة Kernel إلى توصيل بعض الأشياء للبرامج عند بدء تشغيلها مثل وسائط البرنامج arguments ومتغيرات البيئة الحالية environment variables وبنية خاصة اسمها المتجه المساعد Auxiliary Vector أو auxv اختصارًا. يمكنك أن تطلب من الرابط الديناميكي أن يُظهر لك بعضًا من خرج تنقيح الأخطاء من البنية auxv من خلال تحديد قيمة البيئة كما يلي LD_SHOW_AUXV=1. تسمح الوسائط والبيئة والأشكال المختلفة من استدعاء النظام exec بتحديد هذه الأشياء للبرنامج التي يمكن للنواة توصيلها من خلال وضع جميع المعلومات المطلوبة في المكدس ليلتقطها البرنامج المُنشَأ حديثًا، وبالتالي يمكن للبرنامج عند بدء تشغيله استخدام مؤشر المكدس الخاص به للعثور على جميع معلومات بدء التشغيل المطلوبة. المتجه المساعد هو بنية خاصة لنقل المعلومات مباشرةً من النواة إلى البرنامج المُشغَّل حديثًا، ويحتوي على معلومات خاصة بالنظام يمكن أن تكون مطلوبة مثل الحجم الافتراضي لصفحة الذاكرة الوهمية على النظام أو إمكانات العتاد، وهذه هي الميزات التي تحددها النواة للعتاد الأساسي ويمكن أن تستفيد منها برامج مساحة المستخدمين. مكتبة النواة Kernel Library ذكرنا سابقًا أن استدعاءات النظام بطيئة وأن الأنظمة الحديثة لديها آليات لتجنب الحِمل الناتج عن استدعاء مصيدة Trap للمعالج، حيث يمكن تنفيذ ذلك في نظام لينكس من خلال استخدام حيلة بين المحمل الديناميكي والنواة المتصلَين ببنية AUXV، إذ تضيف النواة مكتبة مشتركة صغيرة إلى فضاء العناوين لكل عملية مُنشَأة حديثًا وتحتوي على دالة تجري استدعاءات النظام نيابة عنك. يكمن جمال هذا النظام في أنه إذا دعم العتاد الأساسي آلية استدعاء نظام سريعة، فيمكن للنواة استخدامها لكونها منشئة المكتبة، وإلّا فيمكنها استخدام النظام القديم لإنشاء مصيدة. تسمى هذه المكتبة linux-gate.so.1 لأنها بوابة إلى عمل النواة الداخلي. تضيف النواة مدخلةً إلى البنية auxv تسمَّى AT_SYSINFO_EHDR عندما تبدأ الرابط الديناميكي، وهذه المدخلة هي العنوان الموجود في الذاكرة الذي توجد فيه مكتبة النواة الخاصة. يمكن للرابط الديناميكي عندما يبدأ البحثَ عن المؤشر AT_SYSINFO_EHDR، فإن وُجد، فستُحمَّل تلك المكتبة للبرنامج. لا يملك البرنامج أيّ فكرة عن وجود هذه المكتبة، لأنها تُعَد ترتيبًا خاصًا بين الرابط الديناميكي والنواة. ذكرنا أن المبرمجين يجرون استدعاءات النظام بطريقة غير مباشرة من خلال استدعاء الدوال في مكتبات النظام libc التي يمكنها التحقق مما إذا كان ملف النواة الثنائي الخاص محمَّلًا أم لا، فإذا كان الأمر كذلك، فيجب استخدام الدوال الموجودة ضمنه لإجراء استدعاءات النظام. إذا حددت النواة أن العتاد يمتلك القدرة المطلوبة، فيجب استخدام طريقة استدعاء النظام السريع. بدء برنامج تمرّر النواةُ المفسّرَ بعد تحميله إلى نقطة الدخول كما هو مذكور في ملف المفسّر (لاحظ عدم اختبار كيفية بدء الرابط الديناميكي). سيقفز الرابط الديناميكي إلى عنوان نقطة الدخول كما هو مذكور في ملف ELF الثنائي. يوضح المثال التالي نتيجة تفكيك Disassembley بدء تشغيل البرنامج: $ cat test.c int main(void) { return 0; } $ gcc -o test test.c $ readelf --headers ./test | grep Entry Entry point address: 0x80482b0 $ objdump --disassemble ./test [...] 080482b0 <_start>: 80482b0: 31 ed xor %ebp,%ebp 80482b2: 5e pop %esi 80482b3: 89 e1 mov %esp,%ecx 80482b5: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp 80482b8: 50 push %eax 80482b9: 54 push %esp 80482ba: 52 push %edx 80482bb: 68 00 84 04 08 push $0x8048400 80482c0: 68 90 83 04 08 push $0x8048390 80482c5: 51 push %ecx 80482c6: 56 push %esi 80482c7: 68 68 83 04 08 push $0x8048368 80482cc: e8 b3 ff ff ff call 8048284 <__libc_start_main@plt> 80482d1: f4 hlt 80482d2: 90 nop 80482d3: 90 nop 08048368 <main>: 8048368: 55 push %ebp 8048369: 89 e5 mov %esp,%ebp 804836b: 83 ec 08 sub $0x8,%esp 804836e: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp 8048371: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 8048376: 83 c0 0f add $0xf,%eax 8048379: 83 c0 0f add $0xf,%eax 804837c: c1 e8 04 shr $0x4,%eax 804837f: c1 e0 04 shl $0x4,%eax 8048382: 29 c4 sub %eax,%esp 8048384: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 8048389: c9 leave 804838a: c3 ret 804838b: 90 nop 804838c: 90 nop 804838d: 90 nop 804838e: 90 nop 804838f: 90 nop 08048390 <__libc_csu_init>: 8048390: 55 push %ebp 8048391: 89 e5 mov %esp,%ebp [...] 08048400 <__libc_csu_fini>: 8048400: 55 push %ebp [...] يمكننا أن نرى في المثال البسيط السابق باستخدام أداة readelf أن نقطة الدخول هي الدالة ‎_start في الملف الثنائي، ويمكننا أن نرى في عملية التفكيك دفع بعض القيم إلى المكدس. تمثل القيمة الأولى 0x8048400 الدالة ‎__libc_csu_fini، وتمثل القيمة 0x8048390 الدالة ‎__libc_csu_init، وتمثل القيمة 0x8048368 الدالة الرئيسية main()‎، ثم تُستدعَى قيمة الدالة ‎__libc_start_main. الدالة ‎__libc_start_main مُعرَّفة في مصادر مكتبة glibc ضمن sysdeps/generic/libc-start.c، وتُعَد معقدةً جدًا ومخفيةً بين عدد كبير من التعريفات، حيث يجب أن تكون قابلة للنقل عبر عدد كبير جدًا من الأنظمة والمعماريات التي يمكن لمكتبة glibc العمل عليها. تطبّق هذه الدالة عددًا من الأشياء المحدَّدة المتعلقة بإعداد مكتبة C والتي لا يحتاج المبرمج العادي للقلق بشأنها. النقطة التالية التي تستدعي فيها المكتبةُ البرنامجَ هي عند التعامل مع شيفرة init. تُعَد الدالتان init وfini مفهومين خاصين يستدعيان أجزاءً من الشيفرة البرمجية الموجودة في المكتبات المشتركة والتي يمكن أن تحتاج لاستدعائها قبل أن تبدأ المكتبة أو عند إلغاء تحميل المكتبة على التوالي. يمكنك أن ترى كيف يمكن أن يكون ذلك مفيدًا لمبرمجي المكتبات لإعداد المتغيرات عند بدء تشغيل المكتبة أو لتنظيفها في النهاية. كان البحث عن الدالتين ‎_init و‎_fini في المكتبة ممكنًا سابقًا، ولكن أصبح ذلك مقيدًا إلى حد ما حيث كان كل شيء مطلوبًا في هاتين الدالتين. سنوضح فيما يلي كيفية عمل الدالتين init وfini فقط. يمكننا أن نرى الآن أن الدالة ‎__libc_start_main ستتلقى عددًا من معاملات الدخل في المكدس stack، إذ سيكون بإمكانها أولًا الوصول إلى وسائط البرنامج ومتغيرات البيئة والمتجه المساعد من النواة، ثم ستدفع دالة التهيئة إلى عناوين المكدس الخاصة بالدوال للتعامل مع الدالتين init وfini ثم عنوان الدالة الرئيسية نفسها. نحتاج طريقةً ما للإشارة إلى أنه يجب استدعاء دالةٍ ما باستخدام init أوfini في الشيفرة المصدرية. نستخدم مع gcc سمات Attributes لتمييز دالتين بأنهما بانيتان Constructors أو ومدمرتان Destructors في برنامجنا الرئيسي. تُستخدَم هذه المصطلحات بصورة أكثر شيوعًا مع اللغات كائنية التوجه لوصف دورات حياة الكائن. إليك مثال عن الباني والمدمر: $ cat test.c #include <stdio.h> void __attribute__((constructor)) program_init(void) { printf("init\n"); } void __attribute__((destructor)) program_fini(void) { printf("fini\n"); } int main(void) { return 0; } $ gcc -Wall -o test test.c $ ./test init fini $ objdump --disassemble ./test | grep program_init 08048398 <program_init>: $ objdump --disassemble ./test | grep program_fini 080483b0 <program_fini>: $ objdump --disassemble ./test [...] 08048280 <_init>: 8048280: 55 push %ebp 8048281: 89 e5 mov %esp,%ebp 8048283: 83 ec 08 sub $0x8,%esp 8048286: e8 79 00 00 00 call 8048304 <call_gmon_start> 804828b: e8 e0 00 00 00 call 8048370 <frame_dummy> 8048290: e8 2b 02 00 00 call 80484c0 <__do_global_ctors_aux> 8048295: c9 leave 8048296: c3 ret [...] 080484c0 <__do_global_ctors_aux>: 80484c0: 55 push %ebp 80484c1: 89 e5 mov %esp,%ebp 80484c3: 53 push %ebx 80484c4: 52 push %edx 80484c5: a1 2c 95 04 08 mov 0x804952c,%eax 80484ca: 83 f8 ff cmp $0xffffffff,%eax 80484cd: 74 1e je 80484ed <__do_global_ctors_aux+0x2d> 80484cf: bb 2c 95 04 08 mov $0x804952c,%ebx 80484d4: 8d b6 00 00 00 00 lea 0x0(%esi),%esi 80484da: 8d bf 00 00 00 00 lea 0x0(%edi),%edi 80484e0: ff d0 call *%eax 80484e2: 8b 43 fc mov 0xfffffffc(%ebx),%eax 80484e5: 83 eb 04 sub $0x4,%ebx 80484e8: 83 f8 ff cmp $0xffffffff,%eax 80484eb: 75 f3 jne 80484e0 <__do_global_ctors_aux+0x20> 80484ed: 58 pop %eax 80484ee: 5b pop %ebx 80484ef: 5d pop %ebp 80484f0: c3 ret 80484f1: 90 nop 80484f2: 90 nop 80484f3: 90 nop $ readelf --sections ./test There are 34 section headers, starting at offset 0xfb0: Section Headers: [Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al [ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0 [ 1] .interp PROGBITS 08048114 000114 000013 00 A 0 0 1 [ 2] .note.ABI-tag NOTE 08048128 000128 000020 00 A 0 0 4 [ 3] .hash HASH 08048148 000148 00002c 04 A 4 0 4 [ 4] .dynsym DYNSYM 08048174 000174 000060 10 A 5 1 4 [ 5] .dynstr STRTAB 080481d4 0001d4 00005e 00 A 0 0 1 [ 6] .gnu.version VERSYM 08048232 000232 00000c 02 A 4 0 2 [ 7] .gnu.version_r VERNEED 08048240 000240 000020 00 A 5 1 4 [ 8] .rel.dyn REL 08048260 000260 000008 08 A 4 0 4 [ 9] .rel.plt REL 08048268 000268 000018 08 A 4 11 4 [10] .init PROGBITS 08048280 000280 000017 00 AX 0 0 4 [11] .plt PROGBITS 08048298 000298 000040 04 AX 0 0 4 [12] .text PROGBITS 080482e0 0002e0 000214 00 AX 0 0 16 [13] .fini PROGBITS 080484f4 0004f4 00001a 00 AX 0 0 4 [14] .rodata PROGBITS 08048510 000510 000012 00 A 0 0 4 [15] .eh_frame PROGBITS 08048524 000524 000004 00 A 0 0 4 [16] .ctors PROGBITS 08049528 000528 00000c 00 WA 0 0 4 [17] .dtors PROGBITS 08049534 000534 00000c 00 WA 0 0 4 [18] .jcr PROGBITS 08049540 000540 000004 00 WA 0 0 4 [19] .dynamic DYNAMIC 08049544 000544 0000c8 08 WA 5 0 4 [20] .got PROGBITS 0804960c 00060c 000004 04 WA 0 0 4 [21] .got.plt PROGBITS 08049610 000610 000018 04 WA 0 0 4 [22] .data PROGBITS 08049628 000628 00000c 00 WA 0 0 4 [23] .bss NOBITS 08049634 000634 000004 00 WA 0 0 4 [24] .comment PROGBITS 00000000 000634 00018f 00 0 0 1 [25] .debug_aranges PROGBITS 00000000 0007c8 000078 00 0 0 8 [26] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 000840 000025 00 0 0 1 [27] .debug_info PROGBITS 00000000 000865 0002e1 00 0 0 1 [28] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 000b46 000076 00 0 0 1 [29] .debug_line PROGBITS 00000000 000bbc 0001da 00 0 0 1 [30] .debug_str PROGBITS 00000000 000d96 0000f3 01 MS 0 0 1 [31] .shstrtab STRTAB 00000000 000e89 000127 00 0 0 1 [32] .symtab SYMTAB 00000000 001500 000490 10 33 53 4 [33] .strtab STRTAB 00000000 001990 000218 00 0 0 1 Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific) $ objdump --disassemble-all --section .ctors ./test ./test: file format elf32-i386 Contents of section .ctors: 8049528 ffffffff 98830408 00000000 ............ كانت دالة التهيئة ‎__libc_csu_init هي القيمة الأخيرة المدفوعة إلى المكدس من أجل الدالة ‎__libc_start_main. إذا اتبعنا سلسلة الاستدعاءات ابتداءً من ‎__libc_csu_init، فيمكننا أن نرى أنها تجري بعض الإعدادات ثم تستدعي الدالة ‎_init في الملف القابل للتنفيذ. تستدعي الدالة ‎_init في النهاية دالة تسمى ‎__do_global_ctors_aux، حيث إذا نظرنا إلى تفكيك هذه الدالة، فيمكننا أن نرى أنها تبدأ من العنوان 0x804952c ثم تتكرر وتقرأ قيمة وتستدعيها. هذا العنوان الذي يمثل البداية موجود في القسم ‎.ctors من الملف، حيث إذا ألقينا نظرة عليه، فسنرى أنه يحتوي على القيمة الأولى ‎-1 وعنوان الدالة بصيغة Big Endian أي تخزين البتات الأقل أهمية أولًا والقيمة صفر. العنوان بصيغة Big Endian هو 0x08048398 أو عنوان الدالة program_init، لذا فإن صيغة القسم ‎.ctors هي ‎-1 أولًا ثم عنوان الدوال المطلوب استدعاؤها عند التهيئة، وأخيرًا القيمة صفر للإشارة إلى اكتمال القائمة. ستُستدعَى كل مدخلة، ولدينا في هذه الحالة دالة واحدة فقط. أخيرًا، تستدعي الدالة ‎__libc_start_main الدالةَ الرئيسية main()‎ بمجرد اكتمالها باستدعاء الدالة ‎_init. تذكر أن هذه الدالة تمتلك إعداد المكدس الأولي باستخدام الوسائط ومؤشرات البيئة من النواة، وهذه هي الطريقة التي تحصل بها الدالة الرئيسية على الوسائط argc, argv[], envp[]‎. تعمل العملية بعد ذلك وتكتمل مرحلة الإعداد. تحدث عملية مماثلة مع القسم ‎.dtors للمدمرين Destructors عند إنهاء البرنامج، حيث تستدعيها الدالة ‎__libc_start_main عند اكتمال الدالة الرئيسية main()‎. لاحظ تطبيق الكثير من العمل قبل أن يبدأ البرنامج وحتى بعد أن تعتقد أنه انتهى بقليل. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Starting a process من فصل Behind the process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: مفاهيم متقدمة متعلقة بصيغة ملفات ELF القابلة للتنفيذ كيفية إنشاء ملف قابل للتنفيذ Executable File من شيفرة برمجية مصدرية Source Code

تعرفنا في المقال السابق على الملفات القابلة للتنفيذ في نظام التشغيل وتمثيلها باستخدام الصيغة ELF وسنوضح في هذا المقال بعض المفاهيم المتعلقة بصيغة ملفات ELF مثل تنقيح الأخطاء Debugging وكيفية إنشاء أقسام مخصصة فيها وسكربتات الرابط Linker Scripts التي يستخدمها الرابط لبناء الأقسام Sections المُكوِّنة للمقاطع Segments، ولكن لنتعرّف أولًا على مفهوم ملفات ELF القابلة للتنفيذ. ملفات ELF القابلة للتنفيذ تُعَد الملفات القابلة للتنفيذ أحد الاستخدامات الأساسية لصيغة ELF. يحتوي الملف الثنائي على كل ما هو مطلوب لنظام التشغيل لتنفيذ الشيفرة البرمجية بالطريقة المطلوبة، حيث صُمِّم الملف التنفيذي لتشغيله في عملية ذات فضاء عناوين فريد، لذا يمكن للشيفرة البرمجية وضع افتراضات حول مكان تحميل أجزاء البرنامج المختلفة في الذاكرة. يوضح المثال الآتي اختبار أجزاء ملفٍ قابل للتنفيذ باستخدام أداة readelf. يمكننا أن نرى العناوين الوهمية التي يجب وضع مقاطع LOAD فيها، حيث يمكننا أن نرى أنّ أحد هذه المقاطع مخصصٌ للشيفرة البرمجية ويمتلك أذونات القراءة والتنفيذ فقط، وهناك مقطع آخر مخصصٌ للبيانات ولديه أذونات القراءة والكتابة دون وجود أذونات التنفيذ، فبدونها لن تُميَّز الصفحات التي تدعم خطأ ما بأن لها أذونات التنفيذ حتى إن سمح هذا الخطأ للمهاجم بإدخال بيانات عشوائية، وبالتالي لن تسمح معظم المعالجات بأيّ تنفيذ للشيفرة البرمجية في تلك الصفحات. $ readelf --segments /bin/ls Elf file type is EXEC (Executable file) Entry point 0x4046d4 There are 8 program headers, starting at offset 64 Program Headers: Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flags Align PHDR 0x0000000000000040 0x0000000000400040 0x0000000000400040 0x00000000000001c0 0x00000000000001c0 R E 8 INTERP 0x0000000000000200 0x0000000000400200 0x0000000000400200 0x000000000000001c 0x000000000000001c R 1 [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2] LOAD 0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000 0x0000000000019ef4 0x0000000000019ef4 R E 200000 LOAD 0x000000000001a000 0x000000000061a000 0x000000000061a000 0x000000000000077c 0x0000000000001500 RW 200000 DYNAMIC 0x000000000001a028 0x000000000061a028 0x000000000061a028 0x00000000000001d0 0x00000000000001d0 RW 8 NOTE 0x000000000000021c 0x000000000040021c 0x000000000040021c 0x0000000000000044 0x0000000000000044 R 4 GNU_EH_FRAME 0x0000000000017768 0x0000000000417768 0x0000000000417768 0x00000000000006fc 0x00000000000006fc R 4 GNU_STACK 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 RW 8 Section to Segment mapping: Segment Sections... 00 01 .interp 02 .interp .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .hash .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .text .fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame 03 .ctors .dtors .jcr .dynamic .got .got.plt .data .bss 04 .dynamic 05 .note.ABI-tag .note.gnu.build-id 06 .eh_frame_hdr 07 يجب تحميل مقاطع البرنامج على هذه العناوين، حيث تتمثل الخطوة الأخيرة للرابط Linker في تحليل معظم المنقولات Relocations وتصحيحها باستخدام العناوين المطلقة المُفترَضة، ثم تجاهل البيانات التي تصف الانتقال في الملف الثنائي النهائي دون وجود طريقة لإيجاد هذه المعلومات بعد الآن. تحتوي الملفات القابلة للتنفيذ عمومًا على اعتماديات Dependencies خارجية للمكتبات المشتركة Shared Libraries أو أجزاء من الشيفرة البرمجية المشتركة يمكن تجريدها ومشاركتها بين أجزاء النظام بأكمله، حيث تتعلق جميع الأجزاء الغريبة في المثال السابق باستخدام المكتبات المشتركة التي سنوضّحها لاحقًا. تنقيح الأخطاء Debugging يُشار تقليديًا إلى الطريقة الأساسية لتنقيح أخطاء ما بعد التعطل باسم التفريغ الأساسي Core Dump، حيث يأتي مصطلح الأساسي Core من الخصائص الفيزيائية الأصلية للذاكرة المغناطيسية الأساسية التي تستخدم اتجاه الحلقات المغناطيسية الصغيرة لتخزين الحالة. يُعَد التفريغ الأساسي لقطة كاملة للبرنامج عند عمله في وقت معين، ويمكن بعد ذلك استخدام منقح أخطاء Debugger لفحص هذا التفريغ وإعادة بناء حالة البرنامج. يوضح المثال التالي نموذجًا لبرنامج يكتب في موقع ذاكرة عشوائية لغرض التعطل، حيث ستتوقف العمليات ويُسجَّل تفريغ للحالة الحالية: $ cat coredump.c int main(void) { char *foo = (char*)0x12345; *foo = 'a'; return 0; } $ gcc -Wall -g -o coredump coredump.c $ ./coredump Segmentation fault (core dumped) $ file ./core ./core: ELF 32-bit LSB core file Intel 80386, version 1 (SYSV), SVR4-style, from './coredump' $ gdb ./coredump ... (gdb) core core [New LWP 31614] Core was generated by `./coredump'. Program terminated with signal 11, Segmentation fault. #0 0x080483c4 in main () at coredump.c:3 3 *foo = 'a'; (gdb) وبالتالي فإن ملف التفريغ الأساسي هو مجرد ملف ELF يحتوي على مجموعة من الأقسام التي يفهمها منقح الأخطاء لتمثيل أجزاء من البرنامج المُشغَّل. الرموز ومعلومات تنقيح الأخطاء يتطلب منقح الأخطاء gdb الملف القابل للتنفيذ الأصلي وملف التفريغ الأساسي لإعادة بناء بيئة جلسة تنقيح الأخطاء. لاحظ أن الملف القابل للتنفيذ الأصلي أُنشئ باستخدام الراية ‎-g التي توجه المصرِّف Compiler لتضمين جميع معلومات الأخطاء، حيث يجري الاحتفاظ بالمعلومات المتعلقة بعملية تنقيح الأخطاء الإضافية في أقسام خاصة من ملف ELF، إذ تصف هذه المعلومات بالتفصيل أشياءً مثل قيم المسجّل التي تحتوي حاليًا على المتغيرات المستخدمة في الشيفرة البرمجية وحجم المتغيرات وطول المصفوفات وغير ذلك. تكون هذه المعلومات بصيغة DWARF المعيارية التي تُعَد مرادفًا لصيغة ELF تقريبًا. يمكن أن يؤدي تضمين معلومات تنقيح الأخطاء إلى جعل الملفات والمكتبات القابلة للتنفيذ كبيرة جدًا، إذ لا تزال تشغل مساحة كبيرة على القرص الصلب بالرغم من أنها ليست مطلوبة في الذاكرة للتشغيل الفعلي، وبالتالي يجب إزالة هذه المعلومات من ملف ELF. يمكن نقل كل من الملفات التي أًزيلت منها هذه المعلومات والملفات التي لم تًُزال منها هذه المعلومات، ولكن توفّر معظم طرق توزيع أو نشر الملفات الثنائية binary distribution الحالية معلومات لتنقيح الأخطاء في ملفات منفصلة. يمكن استخدام أداة objcopy لاستخراج معلومات تنقيح الأخطاء (‎--only-keep-debug) ثم إضافة رابط في الملف القابل للتنفيذ الأصلي إلى هذه المعلومات المُزالَة (‎--add-gnu-debuglink)، ثم سيكون هناك قسم خاص بالاسم ‎.gnu_debuglink موجود في الملف القابل للتنفيذ الأصلي ويحتوي على قيمة فريدة بحيث يمكن لمنقح الأخطاء عند بدء جلسات تنقيح الأخطاء التأكدَ من أنه يربط معلومات تنقيح الأخطاء الصحيحة بالملف التنفيذي الصحيح. يوضح المثال التالي إزالة معلومات تنقيح الأخطاء إلى ملفات منفصلة باستخدام الأداة objcopy: $ gcc -g -shared -o libtest.so libtest.c $ objcopy --only-keep-debug libtest.so libtest.debug $ objcopy --add-gnu-debuglink=libtest.debug libtest.so $ objdump -s -j .gnu_debuglink libtest.so libtest.so: file format elf32-i386 Contents of section .gnu_debuglink: 0000 6c696274 6573742e 64656275 67000000 libtest.debug... 0010 52a7fd0a R... تشغل الرموز مساحة أقل بكثير، ولكنها تُعَد هدفًا للإزالة من الخرج النهائي، إذ لن تكون هناك حاجة لبقاء معظم الرموز بمجرد ربط ملفات التعليمات المُصرَّفة object files لملف قابل للتنفيذ بالصورة النهائية. تُعَد الرموز مطلوبة لإصلاح مدخلات المنقولات Relocation، ولكن لن تكون الرموز بعد ذلك ضرورية تمامًا لتشغيل البرنامج النهائي. توفر سلسلة أدوات GNU لتجريد البرنامج في نظام لينكس خياراتٍ لإزالة الرموز. لاحظ أنه يجب تحليل بعض الرموز في وقت التشغيل (للربط الديناميكي Dynamic Linking)، ولكنها تُوضَع في جداول رموز ديناميكية منفصلة حتى لا تُزال وتجعل الخرج النهائي عديم الفائدة. التفريغ الأساسي Coredump يُعَد التفريغ الأساسي مجرد ملف ELF. يوضح المثال التالي مرونة صيغة ELF بوصفها صيغة ثنائية: $ readelf --all ./core ELF Header: Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 Class: ELF32 Data: 2's complement, little endian Version: 1 (current) OS/ABI: UNIX - System V ABI Version: 0 Type: CORE (Core file) Machine: Intel 80386 Version: 0x1 Entry point address: 0x0 Start of program headers: 52 (bytes into file) Start of section headers: 0 (bytes into file) Flags: 0x0 Size of this header: 52 (bytes) Size of program headers: 32 (bytes) Number of program headers: 15 Size of section headers: 0 (bytes) Number of section headers: 0 Section header string table index: 0 There are no sections in this file. There are no sections to group in this file. Program Headers: Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align NOTE 0x000214 0x00000000 0x00000000 0x0022c 0x00000 0 LOAD 0x001000 0x08048000 0x00000000 0x01000 0x01000 R E 0x1000 LOAD 0x002000 0x08049000 0x00000000 0x01000 0x01000 RW 0x1000 LOAD 0x003000 0x489fc000 0x00000000 0x01000 0x1b000 R E 0x1000 LOAD 0x004000 0x48a17000 0x00000000 0x01000 0x01000 R 0x1000 LOAD 0x005000 0x48a18000 0x00000000 0x01000 0x01000 RW 0x1000 LOAD 0x006000 0x48a1f000 0x00000000 0x01000 0x153000 R E 0x1000 LOAD 0x007000 0x48b72000 0x00000000 0x00000 0x01000 0x1000 LOAD 0x007000 0x48b73000 0x00000000 0x02000 0x02000 R 0x1000 LOAD 0x009000 0x48b75000 0x00000000 0x01000 0x01000 RW 0x1000 LOAD 0x00a000 0x48b76000 0x00000000 0x03000 0x03000 RW 0x1000 LOAD 0x00d000 0xb771c000 0x00000000 0x01000 0x01000 RW 0x1000 LOAD 0x00e000 0xb774d000 0x00000000 0x02000 0x02000 RW 0x1000 LOAD 0x010000 0xb774f000 0x00000000 0x01000 0x01000 R E 0x1000 LOAD 0x011000 0xbfeac000 0x00000000 0x22000 0x22000 RW 0x1000 There is no dynamic section in this file. There are no relocations in this file. There are no unwind sections in this file. No version information found in this file. Notes at offset 0x00000214 with length 0x0000022c: Owner Data size Description CORE 0x00000090 NT_PRSTATUS (prstatus structure) CORE 0x0000007c NT_PRPSINFO (prpsinfo structure) CORE 0x000000a0 NT_AUXV (auxiliary vector) LINUX 0x00000030 Unknown note type: (0x00000200) $ eu-readelf -n ./core Note segment of 556 bytes at offset 0x214: Owner Data size Type CORE 144 PRSTATUS info.si_signo: 11, info.si_code: 0, info.si_errno: 0, cursig: 11 sigpend: <> sighold: <> pid: 31614, ppid: 31544, pgrp: 31614, sid: 31544 utime: 0.000000, stime: 0.000000, cutime: 0.000000, cstime: 0.000000 orig_eax: -1, fpvalid: 0 ebx: 1219973108 ecx: 1243440144 edx: 1 esi: 0 edi: 0 ebp: 0xbfecb828 eax: 74565 eip: 0x080483c4 eflags: 0x00010286 esp: 0xbfecb818 ds: 0x007b es: 0x007b fs: 0x0000 gs: 0x0033 cs: 0x0073 ss: 0x007b CORE 124 PRPSINFO state: 0, sname: R, zomb: 0, nice: 0, flag: 0x00400400 uid: 1000, gid: 1000, pid: 31614, ppid: 31544, pgrp: 31614, sid: 31544 fname: coredump, psargs: ./coredump CORE 160 AUXV SYSINFO: 0xb774f414 SYSINFO_EHDR: 0xb774f000 HWCAP: 0xafe8fbff <fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss tm pbe> PAGESZ: 4096 CLKTCK: 100 PHDR: 0x8048034 PHENT: 32 PHNUM: 8 BASE: 0 FLAGS: 0 ENTRY: 0x8048300 UID: 1000 EUID: 1000 GID: 1000 EGID: 1000 SECURE: 0 RANDOM: 0xbfecba1b EXECFN: 0xbfecdff1 PLATFORM: 0xbfecba2b NULL LINUX 48 386_TLS index: 6, base: 0xb771c8d0, limit: 0x000fffff, flags: 0x00000051 index: 7, base: 0x00000000, limit: 0x00000000, flags: 0x00000028 index: 8, base: 0x00000000, limit: 0x00000000, flags: 0x00000028 يمكننا أن نرى في المثال السابق اختبارًا باستخدام أداة readelf أولًا للملف الأساسي الناتج عن مثال إنشاء ملف تفريغ أساسي واستخدامه باستخدام منقح الأخطاء gdb. لا توجد أقسام أو منقولات أو معلومات أخرى غريبة في هذا الملف يمكن أن تكون مطلوبة لتحميل ملف قابل للتنفيذ أو مكتبة، إذ يتكون من سلسلة من ترويسات البرامج التي تمثل مقاطع LOAD التي هي عمليات تفريغ بيانات أولية أنشأتها النواة Kernel لتخصيصات الذاكرة الحالية. المكون الآخر لملف التفريغ الأساسي هو أقسام الملاحظات NOTE التي تحتوي على البيانات الضرورية لتنقيح الأخطاء ولكن ليس بالضرورة أن تُلتقَط في لقطة مباشرة لتخصيصات الذاكرة. يوفّر برنامج eu-readelf المُستخدَم في الجزء الثاني من المثال السابق رؤيةً أكثر اكتمالًا للبيانات من خلال فك تشفيرها. تقدّم الملاحظة PRSTATUS مجموعة من المعلومات حول العملية أثناء تشغيلها، فمثلًا يمكننا أن نرى من قيمة cursig أن البرنامج تلقى إشارة قيمتها 11 تمثل خطأ تقطيع segmentation fault. كما تتضمن بالإضافة إلى معلومات رقم العملية ملف تفريغ لجميع المسجلات الحالية. يمكن لمنقح الأخطاء بالنظر إلى قيم المسجّل إعادة بناء حالة المكدس وبالتالي توفير تعقب خلفي Backtrace، حيث يمكن لمنقح الأخطاء جنبًا إلى جنب مع الرمز ومعلومات تنقيح الأخطاء من الملف الثنائي الأصلي إظهار كيفية الوصول إلى نقطة التنفيذ الحالية. من المخرجات الأخرى المتجه المساعد الحالي Auxiliary Vector أو AUXV اختصارًا. تصف 386_TLS مدخلات جدول الواصفات العام المستخدمة في تقديم Implementation معمارية x86 لمخزن محلي قائم على الخيوط thread-local storage. سيكون هناك مدخلات مكررة لكل خيط قيد التشغيل بالنسبة للتطبيق متعدد الخيوط، حيث سيفهم منقح الأخطاء ذلك وهذه هي الطريقة التي يطبّق بها منقح الأخطاء gdb الأمر thread لإظهار الخيوط والتبديل بينها. تنشئ النواة ملف التفريغ الأساسي ضمن حدود إعدادات ulimit الحالية، إذ يمكن أن يؤدي البرنامج الذي يستخدم قدرًا كبيرًا من الذاكرة إلى وجود ملف تفريغ كبير جدًا، ويُحتمَل أن يملأ القرص الصلب ويزيد المشاكل سوءًا، ويُضبَط ulimit على مستوى منخفض أو حتى على القيمة الصفر لأن معظم الأشخاص الذين ليسوا مطورين لديهم استخدام ضئيل لملف التفريغ الأساسي. لكن يظل التفريغ الأساسي هو الطريقة الأكثر فائدة لتنقيح أخطاء حالة غير متوقعة بعد التعطل. إنشاء أقسام مخصصة يُعَد تنظيم الشيفرة والبيانات والرموز شيئًا يمكن للمبرمج ترك إعدادات سلسلة أدواته الافتراضية كما هي، ولكن يمكن في بعض الأحيان توسيع أو تخصيص الأقسام ومحتوياتها مثل وحدات نواة لينكس التي تُستخدَم لتحميل المشغّلات والميزات الأخرى ديناميكيًا في نواة التشغيل. تُعَد هذه الوحدات غير قابلة للنقل، فهي تعمل فقط مع إصدار بناء نواة ثابت واحد، لذلك يمكن أن تكون الواجهة بين الوحدات والنواة مرنةً وغير مرتبطة بمعايير معينة، وبالتالي يمكن تعريف طرق تخزين مثل تخزين معلومات الترخيص والتأليف والاعتماديات والمعاملات الخاصة بالوحدات بصورة فريدة وكاملة باستخدام النواة. يمكن لأداة modinfo فحص هذه المعلومات في وحدةٍ ما وتقديمها للمستخدم. يوضح المثال التالي استخدام مثال عن وحدة نواة لينكس fuse التي تسمح لمكتبات مساحة المستخدم بتوفير تقديمات نظام الملفات للنواة: $ cd /lib/modules/$(uname -r) $ sudo modinfo ./kernel/fs/fuse/fuse.ko filename: /lib/modules/3.2.0-4-amd64/./kernel/fs/fuse/fuse.ko alias: devname:fuse alias: char-major-10-229 license: GPL description: Filesystem in Userspace author: Miklos Szeredi <miklos@szeredi.hu> depends: intree: Y vermagic: 3.2.0-4-amd64 SMP mod_unload modversions parm: max_user_bgreq:Global limit for the maximum number of backgrounded requests an unprivileged user can set (uint) parm: max_user_congthresh:Global limit for the maximum congestion threshold an unprivileged user can set (uint) $ objdump -s -j .modinfo ./kernel/fs/fuse/fuse.ko ./kernel/fs/fuse/fuse.ko: file format elf64-x86-64 Contents of section .modinfo: 0000 616c6961 733d6465 766e616d 653a6675 alias=devname:fu 0010 73650061 6c696173 3d636861 722d6d61 se.alias=char-ma 0020 6a6f722d 31302d32 32390070 61726d3d jor-10-229.parm= 0030 6d61785f 75736572 5f636f6e 67746872 max_user_congthr 0040 6573683a 476c6f62 616c206c 696d6974 esh:Global limit 0050 20666f72 20746865 206d6178 696d756d for the maximum 0060 20636f6e 67657374 696f6e20 74687265 congestion thre 0070 73686f6c 6420616e 20756e70 72697669 shold an unprivi 0080 6c656765 64207573 65722063 616e2073 leged user can s 0090 65740070 61726d74 7970653d 6d61785f et.parmtype=max_ 00a0 75736572 5f636f6e 67746872 6573683a user_congthresh: 00b0 75696e74 00706172 6d3d6d61 785f7573 uint.parm=max_us 00c0 65725f62 67726571 3a476c6f 62616c20 er_bgreq:Global 00d0 6c696d69 7420666f 72207468 65206d61 limit for the ma 00e0 78696d75 6d206e75 6d626572 206f6620 ximum number of 00f0 6261636b 67726f75 6e646564 20726571 backgrounded req 0100 75657374 7320616e 20756e70 72697669 uests an unprivi 0110 6c656765 64207573 65722063 616e2073 leged user can s 0120 65740070 61726d74 7970653d 6d61785f et.parmtype=max_ 0130 75736572 5f626772 65713a75 696e7400 user_bgreq:uint. 0140 6c696365 6e73653d 47504c00 64657363 license=GPL.desc 0150 72697074 696f6e3d 46696c65 73797374 ription=Filesyst 0160 656d2069 6e205573 65727370 61636500 em in Userspace. 0170 61757468 6f723d4d 696b6c6f 7320537a author=Miklos Sz 0180 65726564 69203c6d 696b6c6f 7340737a eredi <miklos@sz 0190 65726564 692e6875 3e000000 00000000 eredi.hu>....... 01a0 64657065 6e64733d 00696e74 7265653d depends=.intree= 01b0 59007665 726d6167 69633d33 2e322e30 Y.vermagic=3.2.0 01c0 2d342d61 6d643634 20534d50 206d6f64 -4-amd64 SMP mod 01d0 5f756e6c 6f616420 6d6f6476 65727369 _unload modversi 01e0 6f6e7320 00 ons . تحلّل الأداة modinfo القسم ‎.modinfo المُضمَّن في ملف الوحدة لتقديم تفاصيلها. يوضح المثال التالي كيفية وضع حقل "المؤلف Author" في الوحدة، حيث تأتي هذه الشيفرة البرمجية غالبًا من include/linux/module.h: /* * ابدأ من الأسفل ثم انتقل إلى الأعلى */ ‫/* وحدات الماكرو غير المباشرة مطلوبة للصق الوسيط المُوسَّع مثل الماكرو‫ __LINE__ */ #define ___PASTE(a,b) a##b #define __PASTE(a,b) ___PASTE(a,b) #define __UNIQUE_ID(prefix) __PASTE(__PASTE(__UNIQUE_ID_, prefix), __COUNTER__) /* تحويل الماكرو غير المباشر إلى سلسلة نصية. يسمح إنشاء مستويين للمعامل بأن يكون ماكرو بحد ذاته، حيث يتحوّل‫ __stringify(FOO)‎ مثلًا إلى السلسلة "bar" عند التصريف باستخدام ‎-DFOO=bar. */ #define __stringify_1(x...) #x #define __stringify(x...) __stringify_1(x) #define __MODULE_INFO(tag, name, info) \ static const char __UNIQUE_ID(name)[] \ __used __attribute__((section(".modinfo"), unused, aligned(1))) \ = __stringify(tag) "=" info ‫/* معلومات عامة للصيغة‫ tag = "info"‎ */ #define MODULE_INFO(tag, info) __MODULE_INFO(tag, tag, info) /* * ‫استخدم للمؤلفين المتعددين الذين يستخدمون "Name <email>‎" أو "Name" فقط ‫تعليمات أو سطور MODULE_AUTHOR()‎ متعددة * */ #define MODULE_AUTHOR(_author) MODULE_INFO(author, _author) /* ---- */ MODULE_AUTHOR("Your Name <your@name.com>"); لنبدأ من الجزء السفلي حيث نرى أن الوحدة MODULE_AUTHOR تغلّف الماكرو الأعم ‎__MODULE_INFO، ويمكننا أن نرى أننا نبني متغيرًا من النوع static const char []‎ ليحتوي على السلسلة النصية "author=Your Name <your@name.com>‎". لاحظ أن المتغير لديه معامل إضافي ‎__attribute__((section(".modinfo")))‎ يخبر المصرّف بعدم وضع هذا المتغير في قسم البيانات data مع المتغيرات الأخرى، ولكن يمكن إخفاؤه في قسم ELF الخاص به الذي اسمه ‎.modinfo. توقِف المعاملات الأخرى المتغير الذي يجري تحسينه لأنه يبدو غير مُستخدَم وللتأكد من أننا نضع المتغيرات بجانب بعضها بعضًا من خلال تحديد المحاذاة. هناك استخدام واسع النطاق لتحويل وحدات الماكرو إلى سلاسل نصية Stringification Macros، وهي حيل تُستخدَم في معالج لغة C المسبق لضمان أن السلاسل النصية والتعاريف يمكن أن تكون مع بعضها البعض. يوفّر المصرِّف gcc التعريف الخاص __COUNTER__ الذي يوفر قيمة فريدة ومتزايدة في كل استدعاء، مما يسمح باستدعاءات وحدة MODULE_AUTHOR متعددة في ملف واحد دون استخدام اسم المتغير نفسه. يمكننا فحص الرموز الموضوعة في الوحدة النهائية لمعرفة النتيجة النهائية كما يلي: $ objdump --syms ./fuse.ko | grep modinfo 0000000000000000 l d .modinfo 0000000000000000 .modinfo 0000000000000000 l O .modinfo 0000000000000013 __UNIQUE_ID_alias1 0000000000000013 l O .modinfo 0000000000000018 __UNIQUE_ID_alias0 000000000000002b l O .modinfo 0000000000000011 __UNIQUE_ID_alias8 000000000000003c l O .modinfo 000000000000000e __UNIQUE_ID_alias7 000000000000004a l O .modinfo 0000000000000068 __UNIQUE_ID_max_user_congthresh6 00000000000000b2 l O .modinfo 0000000000000022 __UNIQUE_ID_max_user_congthreshtype5 00000000000000d4 l O .modinfo 000000000000006e __UNIQUE_ID_max_user_bgreq4 0000000000000142 l O .modinfo 000000000000001d __UNIQUE_ID_max_user_bgreqtype3 000000000000015f l O .modinfo 000000000000000c __UNIQUE_ID_license2 000000000000016b l O .modinfo 0000000000000024 __UNIQUE_ID_description1 000000000000018f l O .modinfo 000000000000002a __UNIQUE_ID_author0 00000000000001b9 l O .modinfo 0000000000000011 __UNIQUE_ID_alias0 00000000000001d0 l O .modinfo 0000000000000009 __module_depends 00000000000001d9 l O .modinfo 0000000000000009 __UNIQUE_ID_intree1 00000000000001e2 l O .modinfo 000000000000002f __UNIQUE_ID_vermagic0 سكربتات الرابط Linker Scripts تتمثل وظيفة الرابط في بناء الأقسام Sections لتشكيل المقاطع Segments من خلال استخدام سكربت الرابط الذي يصِف مكان بدء المقاطع والأقسام الموجودة فيها ويحدد المعاملات الأخرى. يوضح المثال الآتي مقتطفًا من سكربت الرابط الافتراضي الذي سيعرضه الرابط عند إعطاء الراية التفصيلية Verbose باستخدام الرايتين ‎-Wl و‎--verbose مع gcc. السكربت الافتراضي مُضمَّنٌ في الرابط ويعتمد على تعريفات واجهة API المعيارية لإنشاء برامج عاملة لمساحة مستخدمٍ خاصة بمنصة البناء. $ gcc -Wl,--verbose -o test test.c GNU ld (GNU Binutils for Debian) 2.26 ... using internal linker script: ================================================== OUTPUT_FORMAT("elf64-x86-64", "elf64-x86-64", "elf64-x86-64") OUTPUT_ARCH(i386:x86-64) ENTRY(_start) SEARCH_DIR("=/usr/local/lib/x86_64-linux-gnu"); ... SECTIONS { ‫/* أقسام للقراءة فقط مُدمَجة في مقطع النص‫ text segment: */ PROVIDE (__executable_start = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000)); . = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000) + SIZEOF_HEADERS; .interp : { *(.interp) } .note.gnu.build-id : { *(.note.gnu.build-id) } .hash : { *(.hash) } .gnu.hash : { *(.gnu.hash) } .dynsym : { *(.dynsym) } .dynstr : { *(.dynstr) } .gnu.version : { *(.gnu.version) } .gnu.version_d : { *(.gnu.version_d) } .gnu.version_r : { *(.gnu.version_r) } .rela.dyn : { ... } PROVIDE (etext = .); .rodata : { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*) } .rodata1 : { *(.rodata1) } ... يمكنك أن ترى في المثال السابق كيف يحدد سكربت الرابط أمورًا متعددة مثل مواقع البدء والأقسام المراد تجميعها في مقاطع مختلفة. تُستخدَم الراية ‎-Wl لتمرير الراية ‎--verbose إلى الرابط عبر gcc، إذ يمكن توفير سكربتات مخصصة للرابط باستخدام الرايات. ليس مُحتمًلًا أن يحتاج مطورو مساحة المستخدم العادية إلى تجاوز سكربت الرابط الافتراضي، ولكن تتطلب التطبيقات المخصَّصة جدًا مثل عمليات بناء النواة سكربتات مخصصة للرابط في أغلب الأحيان. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين ELF Executables و Extending ELF concepts من فصل Behind the process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: الملفات القابلة للتنفيذ في نظام التشغيل وتمثيلها باستخدام الصيغة ELF تطبيق عملي لبناء برنامج تنفيذي من شيفرة مصدرية بلغة C

يحتوي البرنامج الذي يعمل في الذاكرة على مكونين رئيسيين هما: الشيفرة البرمجية Code المعروفة أيضًا باسم النص Text والبيانات Data. لا يبقى الملف القابل للتنفيذ في الذاكرة، ولكنه يقضي معظم وقته بوصفه ملفًا على القرص الصلب ينتظر تحميله عند التشغيل. يُعَد الملف مجرد مصفوفة متجاورة من البتات، لذا تبتكر جميع الأنظمة طرقًا لتنظيم الشيفرة البرمجية والبيانات ضمن الملفات للتنفيذ عند الطلب، حيث يشار إلى هذه الصيغة من الملفات باسم ملف ثنائي Binary أو ملف قابل للتنفيذ Executable، وتكون البتات والبايتات الخاصة بالملف بصيغة جاهزة لوضعها في الذاكرة وتفسيرها مباشرةً بواسطة عتاد المعالج. تمثيل الملفات القابلة للتنفيذ يجب أن تحدّد أيّ صيغة لملفٍ قابل للتنفيذ executable file مكانَ وجود الشيفرة البرمجية والبيانات في الملف الثنائي، حيث تُعَد الشيفرة البرمجية والبيانات القسمين الأساسيين لملفٍ قابل للتنفيذ، وأحد المكونات الإضافية التي لم نذكرها حتى الآن هو مساحة تخزين المتغيرات العامة غير المُهيَّأة uninitialised global variables. إذا صرّحنا عن متغير وأعطيناه قيمة أولية، فيجب تخزين هذه القيمة في ملف قابل للتنفيذ بحيث يمكن تهيئته بالقيمة الصحيحة عند بدء البرنامج، ولكن هناك العديد من المتغيرات غير المهيأة أو التي قيمتها صفر عند تنفيذ البرنامج لأول مرة. يُعَد حجز مساحة لهذه المتغيرات في الملف القابل للتنفيذ ثم تخزين قيم صفرية أو فارغة NULL هدرًا للمساحة، مما يؤدي إلى تضخّم حجم الملف القابل للتنفيذ على القرص الصلب دون داع لذلك. تُعرِّف معظم الصيغ الثنائية مفهوم القسم BSS الإضافي بوصفه حجمًا بديلًا للبيانات الصفرية غير المُهيَّأة. يمكن تخصيص الذاكرة الإضافية التي يحدّدها القسم BSS وضبطها على القيمة صفر عند تحميل البرنامج. يرمز الاختصار BSS إلى العبارة Block Started by Symbol، وهو أمر بلغة تجميع حاسوب IBM القديم، ولكن يُرجَّح أن الاشتقاق الدقيق له ضاع مع الوقت. الصيغة الثنائية Binary Format يُنشَأ الملف القابل بالتنفيذ باستخدام سلسلة أدوات من الشيفرة المصدرية، حيث يجب أن يكون هذا الملف بصيغة محددة وواضحة بحيث يمكن للمصرِّف إنشاؤه ويمكن لنظام التشغيل تحديده وتحميله في الذاكرة وتحويله إلى عملية مُشغَّلة يمكن لنظام التشغيل إدارتها. يمكن أن تكون هذه الصيغة من الملفات القابلة للتنفيذ خاصة بنظام التشغيل، إذ لا نتوقع تنفيذ برنامج مُصرَّف لنظامٍ ما على نظام آخر مثل أن تعمل برامج ويندوز على نظام لينكس أو أن تعمل برامج لينكس على نظام macOS. لكن خيط المعالجة Thread المشترك بين جميع صيغ الملفات القابلة للتنفيذ هو أنها تتضمن ترويسة معيارية مُعرَّفة مسبقًا توضّح كيفية تخزين شيفرة وبيانات البرنامج في بقية الملف، حيث يمكن أن تشرح ذلك بالكلمات مثل أن نقول: "تبدأ شيفرة البرنامج من 20 بايت في هذا الملف، ويبلغ طولها 50 كيلوبايت، وتتبعها بيانات البرنامج ويبلغ طولها 20 كيلوبايت". هناك صيغة معينة أصبحت في الآونة الأخيرة معيارًا لتمثيل الملفات القابلة للتنفيذ في الأنظمة الحديثة القائمة على نظام يونكس، ويطلَق على هذا التنسيق بصيغة الرابط والملفات القابلة للتنفيذ Executable and Linker Format -أو ELF اختصارًا، حيث سنشرحها بمزيد من التفصيل لاحقًا. تاريخ الصيغة الثنائية سنوضح فيما يلي صيغتين للملفات الثنائية سبقت ظهور صيغة ملفات ELF هما a.out و COFF. a.out لم تكن صيغة ملفات ELF المعيار دائمًا، إذ استخدمت أنظمة يونكس الأصلية صيغة ملف بالاسم a.out. يمكننا أن نرى آثار ذلك عند تصريف برنامج بدون الخيار ‎-o لتحديد اسم ملف الخرج، حيث سينشأ الملف القابل للتنفيذ بالاسم الافتراضي a.out الذي يُعَد اسم ملف الخرج الافتراضي الناتج عن الرابط Linker. يستخدم المصرِّف Compiler أسماء الملفات المُنشَأة عشوائيًا بوصفها ملفات وسيطة لشيفرة التجميع والشيفرة المُصرَّفة. a.out هو صيغة ترويسة بسيطة تسمح فقط بقسم واحد للبيانات والشيفرة وBSS، وهذا غير كافٍ للأنظمة الحديثة ذات المكتبات الديناميكية. COFF كانت صيغة ملف التعليمات المُصرَّفة المشترك Common Object File Format -أو COFF اختصارًا- مقدمة لظهور صيغة ملفات ELF، حيث كانت صيغة ترويستها أكثر مرونة، مما يسمح بمزيد -ولكن محدود- من الأقسام في الملف. تواجه صيغة COFF صعوبات في دعم المكتبات المشتركة، لذا اختيرت صيغة ELF بوصفها تقديمًا Implementation بديلًا على نظام لينكس. لكن توجد صيغة COFF في مايكروسوفت ويندوز بوصفها صيغة ملفات قابلة للتنفيذ والنقل Portable Executable -أو PE اختصارًا- التي تُعَد بالنسبة إلى ويندوز مثل صيغة ملفات ELF في لينكس. صيغة ملفات ELF تُعَد صيغة ملفات ELF صيغةً مرنة لتمثيل الشيفرة الثنائية في النظام، حيث يمكنك باتباع معيار ELF تمثيل النواة Kernel ثنائيًا بسهولة مثل تمثيل ملف قابل للتنفيذ أو مكتبة نظام عادية. يمكن استخدام الأدوات نفسها لفحص وتشغيل جميع ملفات ELF ويمكن للمطورين الذين يفهمون صيغة ملفات ELF الاستفادة من مهاراتهم في معظم الأنظمة الحديثة المبنية على يونكس. توسّع الصيغة ELF صيغة الملفات COFF وتمنح الترويسة مرونة كافية لتحديد عدد عشوائي من الأقسام، بحيث يكون لكل منها خاصياته الخاصة، مما يسهّل الربط الديناميكي وتنقيح الأخطاء Debugging. ترويسة ملفات ELF يحتوي الملف على ترويسة ملف File Header تصِف الملف، ثم يحتوي على مؤشرات لكل قسم من الأقسام التي يتكون منها الملف. يوضح المثال التالي الوصف على النحو الوارد في توثيق واجهة برمجة تطبيقات ELF32 (نموذج 32 بت من صيغة ملفات ELF)، وهو تخطيط لبنية لغة C الذي يعرّف ترويسة ELF: typedef struct { unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; Elf32_Half e_type; Elf32_Half e_machine; Elf32_Word e_version; Elf32_Addr e_entry; Elf32_Off e_phoff; Elf32_Off e_shoff; Elf32_Word e_flags; Elf32_Half e_ehsize; Elf32_Half e_phentsize; Elf32_Half e_phnum; Elf32_Half e_shentsize; Elf32_Half e_shnum; Elf32_Half e_shstrndx; } Elf32_Ehdr; إليك مثال عن ترويسة ELF كما هو موضح باستخدام الأداة readelf: $ readelf --header /bin/ls ELF Header: Magic: 7f 45 4c 46 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 Class: ELF32 Data: 2's complement, big endian Version: 1 (current) OS/ABI: UNIX - System V ABI Version: 0 Type: EXEC (Executable file) Machine: PowerPC Version: 0x1 Entry point address: 0x10002640 Start of program headers: 52 (bytes into file) Start of section headers: 87460 (bytes into file) Flags: 0x0 Size of this header: 52 (bytes) Size of program headers: 32 (bytes) Number of program headers: 8 Size of section headers: 40 (bytes) Number of section headers: 29 Section header string table index: 28 [...] يوضّح المثال السابق نموذجًا سهل القراءة على الإنسان كما مولدًا باستخدام برنامج readelf، وهو جزء من أدوات Binutils في GNU. تُوجَد المصفوفة e_ident في بداية أيّ ملف ELF، وتبدأ دائمًا بمجموعة بايتات سحرية. البايت الأول هو 0x7F ثم الثلاثة بايتات التالية هي "ELF". يمكنك فحص ملف ELF الثنائي لترى ذلك بنفسك باستخدام الأمر hexdump. يفحص المثال التالي عدد ELF السحري: ianw@mingus:~$ hexdump -C /bin/ls | more 00000000 7f 45 4c 46 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |.ELF............| ... (يتبع ذلك بقية البرنامج) … لاحظ وجود البت 0x7F في البداية ثم سلسلة آسكي ASCII المُشفَّرة "ELF". ألقِ نظرة على المعيار وشاهد ما تعرّفه بقية المصفوفة وما هي القيم الموجودة في الملف الثنائي. لدينا بعد ذلك بعض الرايات Flags لنوع الجهاز الذي اُنشِئ هذا الملف الثنائي من أجله. لاحظ أن صيغة ELF تعرّف إصدارات مختلفة من الأحجام مثل إصدارات 32 بت و64 بت، حيث سنشرح هنا الإصدار 32 بت. يكمن الاختلاف في أنه يجب الاحتفاظ بالعناوين على أجهزة 64 بت في متغيرات بحجم 64 بتًا. يمكننا أن نرى أن الملف الثنائي أُنشِئ للجهاز الذي يستخدم صيغة Big Endian (تخزين البتات الأقل أهمية أولًا)، حيث يستخدم هذا الجهاز المكمل الثنائي لتمثيل الأعداد السالبة. لاحظ بعد ذلك أن الخاصية Machine تخبرنا أنه جهاز PowerPC الثنائي. يبدو أن عنوان نقطة الدخول واضح وصريح بدرجة كافية، وهو العنوان الموجود في الذاكرة الذي تبدأ منه شيفرة البرنامج. يُقال لمبرمجي لغة C المبتدئين أن الدالة الرئيسية main()‎ هي أول برنامج يُستدعَى في برامجهم، ولكن يمكننا التحقق من أنه ليس كذلك باستخدام عنوان نقطة الدخول كما يلي: $ cat test.c #include <stdio.h> int main(void) { printf("main is : %p\n", &main); return 0; } $ gcc -Wall -o test test.c $ ./test main is : 0x10000430 $ readelf --headers ./test | grep 'Entry point' Entry point address: 0x100002b0 $ objdump --disassemble ./test | grep 100002b0 100002b0 <_start>: 100002b0: 7c 29 0b 78 mr r9,r1 لاحظ في المثال السابق أنه يمكننا أن نرى أن نقطة الدخول هي دالة تسمى ‎_start. لم يعرّف برنامجنا هذه الدالة على الإطلاق، ويشير الخط السفلي في بداية اسم الدالة إلى أنها موجودة في فضاء أسماء منفصل. سنشرح لاحقًا كيفية بدء البرنامج بالتفصيل. تحتوي الترويسة بعد ذلك على مؤشرات إلى المكان الموجود في الملف الذي تبدأ فيه الأجزاء المهمة الأخرى من ملف ELF مثل جدول المحتويات. الرموز Symbols 3 والمنقولات Relocation توفر مواصفات ملف ELF جداول رموز Symbol Tables تربط بين السلاسل النصية أو الرموز ومواقع في الملف. تُعَد الرموز مطلوبة للربط Linking، فمثلًا يمكن أن يتطلب إسنادُ قيمة للمتغير foo المُصرَّح عنه بالشكل extern int foo رابطًا للعثور على عنوان المتغير foo، والذي يمكن أن يتضمن البحث عن الكلمة "foo" في جدول الرموز وإيجاد العنوان. ترتبط المنقولات Relocations ارتباطًا وثيقًا بالرموز، حيث يُعَد الانتقال مساحةً فارغة تُترَك لإصلاحها لاحقًا، إذ لا يمكن استخدام المتغير foo في المثال السابق حتى معرفة عنوانه، ولكن نعلم في نظام 32 بت أن عنوان المتغير foo يجب أن يكون بقيمة 4 بايتات، لذلك يمكن للمصرِّف ببساطة ترك مساحة فارغة بمقدار 4 بايتات والاحتفاظ بانتقالٍ Relocation يخبر الرابط بأن يضع القيمة الحقيقية للمتغير foo في هذه المساحة التي مقدارها 4 بايتات في هذا العنوان في أيّ وقت يحتاج فيه المصرِّف استخدامَ هذا العنوان لإسناد قيمة مثلًا، ولكن يتطلب ذلك تحليل الرمز "foo". المقاطع Segments والأقسام Sections تحدد صيغة ELF عرضين لملف ELF، حيث يُستخدَم أحدهما للربط والآخر للتنفيذ، مما يوفر مرونة كبيرة لمصممي الأنظمة. سنتحدث عن الأقسام الموجودة في شيفرة الكائن التي تنتظر أن تُربَط بملف قابل للتنفيذ، ويُربَط قسم واحد أو أكثر مع مقطعٍ ما في الملف القابل للتنفيذ. المقاطع Segments من الأسهل في بعض الأحيان النظر إلى المستوى الأعلى من التجريد abstraction المتمثل بالمقاطع قبل فحص الطبقات السفلية. يحتوي ملف ELF على ترويسة تصف تخطيط الملف العام، حيث تشير ترويسة ELF إلى مجموعة أخرى من الترويسات تسمى ترويسات البرامج Program Headers، حيث تصِف هذه الترويسات لنظام التشغيل أيّ شيء يمكن أن يكون مطلوبًا لتحميل الملف الثنائي في الذاكرة وتنفيذه. كما تصف ترويسات البرامج المقاطع، ولكن هناك بعض الأشياء الأخرى المطلوبة لتشغيل الملف القابل للتنفيذ. إليك مثال عن ترويسة برنامج: typedef struct { Elf32_Word p_type; Elf32_Off p_offset; Elf32_Addr p_vaddr; Elf32_Addr p_paddr; Elf32_Word p_filesz; Elf32_Word p_memsz; Elf32_Word p_flags; Elf32_Word p_align; } يوضح المثال السابق تعريف ترويسة البرنامج. لا بد أنك لاحظت من تعريف ترويسة ELF سابقًا وجود الحقول e_phoff وe_phnum وe_phentsize التي تمثّل الإزاحة في الملف حيث تبدأ ترويسات البرامج وعدد ترويسات البرامج الموجودة وحجم كل ترويسة برنامج، وبالتالي يمكنك العثور على ترويسات البرامج وقراءتها بسهولة باستخدام هذه الأجزاء الثلاثة من المعلومات. تُعَد ترويسات البرامج أكثر من مجرد مقاطع، حيث يعرّف الحقل p_type ما تعرّفه ترويسة البرنامج، فمثلًا إذا كان هذا الحقل هو PT_INTERP، فستُعرَّف الترويسة بأنها مؤشر سلسلة نصية يؤشّر إلى مفسّر Interpreter الملف الثنائي. ناقشنا سابقًا الفرق بين اللغات المُصرَّفة Compiled واللغات المُفسَّرة Interpreted وميّزنا المُصرِّف بأنه ينشئ ملفًا ثنائيًا يمكن تشغيله بطريقة مستقلة. لكن لا بد أنك تتساءل عن سبب حاجتنا لمفسّر! حسنًا، ترغب الأنظمة الحديثة في المرونة عند تحميل الملفات القابلة للتنفيذ، لذا لا يمكن الحصول على بعض المعلومات بصورة كافية إلّا في الوقت الفعلي الذي يُعَد فيه البرنامج للتشغيل، وهذا ما يسمى بالربط الديناميكي Dynamic Linking الذي سنتحدث عنه لاحقًا، وبالتالي يجب إجراء بعض التغييرات الطفيفة على البرنامج الثنائي للسماح له بالعمل بصورة صحيحة في وقت التشغيل. لذا يُعَد مفسّر الملف الثنائي المعتاد هو المحمّل الديناميكي Dynamic Loader، لأنه يأخذ الخطوات النهائية لإكمال تحميل الملف القابل للتنفيذ وإعداد الصورة الثنائية للتشغيل. تصف القيمة PT_LOAD في الحقل p_type المقاطع، ثم تصف الحقول الأخرى في ترويسة البرنامج كلّ مقطع منها. يخبرك الحقل p_offset بمقدار بُعد بيانات المقطع عن الملف الموجود على القرص الصلب. بينما يخبرك الحقل p_vaddr بالعنوان الذي يجب أن توجد عنده البيانات في الذاكرة الوهمية Virtual Memory، حيث يصف الحقل p_addr العنوان الحقيقي Physical Address الذي يُعَد مفيدًا للأنظمة المدمَجة الصغيرة التي لا تطبّق الذاكرة الوهمية. تخبرك الرايتان p_filesz وp_memsz بحجم المقطع الموجود على القرص الصلب وكم يجب أن يكون حجمه في الذاكرة. إذا كان حجم الذاكرة أكبر من حجم القرص الصلب، فيجب ملء التداخل بينهما بالأصفار، وبالتالي يمكنك توفير مساحة كبيرة في ملفاتك الثنائية من خلال عدم الاضطرار إلى هدر مساحة للمتغيرات العامة الفارغة. أخيرًا، يشير الحقل p_flags إلى أذونات المقطع، حيث يمكن تحديد أذونات التنفيذ والقراءة والكتابة، فمثلًا يجب تمييز مقاطع الشيفرة البرمجية بأنها للقراءة والتنفيذ فقط، وتمييز أقسام البيانات للقراءة والكتابة فقط بدون تنفيذ. هناك عدد من أنواع المقاطع الأخرى المُعرَّفة في ترويسات البرامج الموصوفة كاملةً في مواصفات المعايير. الأقسام Sections تشكّل الأقسام مقاطعًا، حيث تُعَد الأقسام طريقة لتنظيم الملف الثنائي في مناطق منطقية لتوصيل المعلومات بين المصرِّف والرابط. تُستخدَم الأقسام في بعض الملفات الثنائية الخاصة مثل نواة لينكس Linux Kernel بطرق أكثر تحديدًا سنوضحها لاحقًا. رأينا كيف تصل المقاطع في النهاية إلى كتلة بيانات في ملف على القرص الصلب مع بعض المواصفات حول المكان الذي يجب تحميلها فيه والأذونات التي تمتلكها. تمتلك الأقسام ترويسةً مماثلة لترويسة المقاطع كما هو موضح في المثال التالي: typedef struct { Elf32_Word sh_name; Elf32_Word sh_type; Elf32_Word sh_flags; Elf32_Addr sh_addr; Elf32_Off sh_offset; Elf32_Word sh_size; Elf32_Word sh_link; Elf32_Word sh_info; Elf32_Word sh_addralign; Elf32_Word sh_entsize; } تحتوي الأقسام على عدد من الأنواع المُعرَّفة للحقل sh_type مثل تعريف قسم من النوع SH_PROGBITS بوصفه قسمًا يحتوي على بيانات ثنائية يستخدمها البرنامج. تشير الرايات الأخرى إلى ما إذا كان هذا القسم جدولَ رموز يستخدمه الرابط أو منقح الأخطاء مثلًا أو يمكن أن يكون شيئًا ما خاصًا بالمحمّل الديناميكي. كما توجد سمات إضافية مثل سمة التخصيص Allocate التي تشير إلى أن هذا القسم سيحتاج إلى ذاكرة مخصصة له. سنختبر الآن البرنامج الموضح في المثال التالي: #include <stdio.h> int big_big_array[10*1024*1024]; char *a_string = "Hello, World!"; int a_var_with_value = 0x100; int main(void) { big_big_array[0] = 100; printf("%s\n", a_string); a_var_with_value += 20; } يوضح المثال التالي خرج الأداة readelf مع بعض الأجزاء الأخرى، حيث يمكننا باستخدام هذا الخرج تحليل كل جزء من برنامجنا البسيط السابق ومعرفة ما سيحدث به في خرج الملف الثنائي النهائي: $ readelf --all ./sections ELF Header: ... Size of section headers: 40 (bytes) Number of section headers: 37 Section header string table index: 34 Section Headers: [Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al [ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0 [ 1] .interp PROGBITS 10000114 000114 00000d 00 A 0 0 1 [ 2] .note.ABI-tag NOTE 10000124 000124 000020 00 A 0 0 4 [ 3] .hash HASH 10000144 000144 00002c 04 A 4 0 4 [ 4] .dynsym DYNSYM 10000170 000170 000060 10 A 5 1 4 [ 5] .dynstr STRTAB 100001d0 0001d0 00005e 00 A 0 0 1 [ 6] .gnu.version VERSYM 1000022e 00022e 00000c 02 A 4 0 2 [ 7] .gnu.version_r VERNEED 1000023c 00023c 000020 00 A 5 1 4 [ 8] .rela.dyn RELA 1000025c 00025c 00000c 0c A 4 0 4 [ 9] .rela.plt RELA 10000268 000268 000018 0c A 4 25 4 [10] .init PROGBITS 10000280 000280 000028 00 AX 0 0 4 [11] .text PROGBITS 100002b0 0002b0 000560 00 AX 0 0 16 [12] .fini PROGBITS 10000810 000810 000020 00 AX 0 0 4 [13] .rodata PROGBITS 10000830 000830 000024 00 A 0 0 4 [14] .sdata2 PROGBITS 10000854 000854 000000 00 A 0 0 4 [15] .eh_frame PROGBITS 10000854 000854 000004 00 A 0 0 4 [16] .ctors PROGBITS 10010858 000858 000008 00 WA 0 0 4 [17] .dtors PROGBITS 10010860 000860 000008 00 WA 0 0 4 [18] .jcr PROGBITS 10010868 000868 000004 00 WA 0 0 4 [19] .got2 PROGBITS 1001086c 00086c 000010 00 WA 0 0 1 [20] .dynamic DYNAMIC 1001087c 00087c 0000c8 08 WA 5 0 4 [21] .data PROGBITS 10010944 000944 000008 00 WA 0 0 4 [22] .got PROGBITS 1001094c 00094c 000014 04 WAX 0 0 4 [23] .sdata PROGBITS 10010960 000960 000008 00 WA 0 0 4 [24] .sbss NOBITS 10010968 000968 000000 00 WA 0 0 1 [25] .plt NOBITS 10010968 000968 000060 00 WAX 0 0 4 [26] .bss NOBITS 100109c8 000968 2800004 00 WA 0 0 4 [27] .comment PROGBITS 00000000 000968 00018f 00 0 0 1 [28] .debug_aranges PROGBITS 00000000 000af8 000078 00 0 0 8 [29] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 000b70 000025 00 0 0 1 [30] .debug_info PROGBITS 00000000 000b95 0002e5 00 0 0 1 [31] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 000e7a 000076 00 0 0 1 [32] .debug_line PROGBITS 00000000 000ef0 0001de 00 0 0 1 [33] .debug_str PROGBITS 00000000 0010ce 0000f0 01 MS 0 0 1 [34] .shstrtab STRTAB 00000000 0011be 00013b 00 0 0 1 [35] .symtab SYMTAB 00000000 0018c4 000c90 10 36 65 4 [36] .strtab STRTAB 00000000 002554 000909 00 0 0 1 Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific) There are no section groups in this file. ... Symbol table '.symtab' contains 201 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name ... 99: 100109cc 0x2800000 OBJECT GLOBAL DEFAULT 26 big_big_array ... 110: 10010960 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 23 a_string ... 130: 10010964 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 23 a_var_with_value ... 144: 10000430 96 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 main لنلقِ أولًا نظرة على المتغير big_big_array الذي -كما يوحي الاسم- هو مصفوفة عامة كبيرة إلى حد ما، وإذا انتقلنا إلى جدول الرموز، فيمكننا أن نرى أن هذا المتغير موجود في الموقع 0x100109cc الذي يمكننا ربطه بالقسم ‎.bss في قائمة الأقسام لأنه يبدأ تحته مباشرةً عند الموقع 0x100109c8، ولاحظ حجمه الكبير جدًا. ذكرنا أن القسم BSS هو جزء معياري من صورة ثنائية، لأنه ليس منطقيًا أن تطلب أن يكون لملفٍ ثنائي على القرص الصلب 10 ميجابايتات من المساحة المخصَّصة له عندما تكون كل هذه المساحة قيمًا صفرية. لاحظ أن هذا القسم يحتوي على النوع NOBITS، مما يعني أنه لا يحتوي على أيّ بايت على القرص الصلب. لذا يُعرَّف القسم ‎.bss للمتغيرات العامة التي يجب أن تكون قيمتها صفرًا عند بدء البرنامج. رأينا كيف يمكن أن يختلف حجم الذاكرة عن حجم القرص الصلب عند مناقشتنا للمقاطع، فوجود المتغيرات في القسم ‎.bss دليل على أنها ستُعطَى قيمة صفرية عند بدء البرنامج. يوجد المتغير a_string في القسم ‎.sdata الذي يمثّل البيانات الصغيرة Small Data، حيث يُعَد هذا القسم وقسم ‎.sbss المقابل له أقسامًا متوفرة في بعض المعماريات حيث يمكن الوصول إلى البيانات باستخدام الإزاحة عن بعض المؤشرات المعروفة، وهذا يعني أنه يمكن إضافة قيمة ثابتة إلى العنوان الأساسي، مما يجعل الوصول إلى البيانات في الأقسام أسرع نظرًا لعدم وجود عمليات بحث مطلوبة إضافية وتحميل للعناوين في الذاكرة. تقتصر معظم المعماريات على حجم القيم الفورية Immediate Value التي يمكنك إضافتها إلى المسجل مثل القيمة الفورية 70 عند تطبيق التعليمة r1 = add r2, 70;‎ على عكس جمع قيمتين مخزنتين في مسجلين r1 = add r2,r3، وبالتالي يمكن تطبيق إزاحة بمقدار مسافة صغيرة معينة عن العنوان. يمكننا أيضًا أن نرى أن المتغير a_var_with_value يوجد في المكان نفسه. بينما توجد الدالة الرئيسية main في القسم ‎.text. تذكر أن "النص Text" و"الشيفرة Code" يُستخدَمان للإشارة إلى برنامج في الذاكرة. الأقسام والمقاطع مع بعضها البعض إليك مثال يحتوي على الأقسام والمقاطع مع بعضها البعض: $ readelf --segments /bin/ls Elf file type is EXEC (Executable file) Entry point 0x100026c0 There are 8 program headers, starting at offset 52 Program Headers: Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align PHDR 0x000034 0x10000034 0x10000034 0x00100 0x00100 R E 0x4 INTERP 0x000154 0x10000154 0x10000154 0x0000d 0x0000d R 0x1 [Requesting program interpreter: /lib/ld.so.1] LOAD 0x000000 0x10000000 0x10000000 0x14d5c 0x14d5c R E 0x10000 LOAD 0x014d60 0x10024d60 0x10024d60 0x002b0 0x00b7c RWE 0x10000 DYNAMIC 0x014f00 0x10024f00 0x10024f00 0x000d8 0x000d8 RW 0x4 NOTE 0x000164 0x10000164 0x10000164 0x00020 0x00020 R 0x4 GNU_EH_FRAME 0x014d30 0x10014d30 0x10014d30 0x0002c 0x0002c R 0x4 GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RWE 0x4 Section to Segment mapping: Segment Sections... 00 01 .interp 02 .interp .note.ABI-tag .hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_ r .rela.dyn .rela.plt .init .text .fini .rodata .eh_frame_hdr 03 .data .eh_frame .got2 .dynamic .ctors .dtors .jcr .got .sdata .sbss .p lt .bss 04 .dynamic 05 .note.ABI-tag 06 .eh_frame_hdr 07 يوضح المثال السابق كيف تظهِر الأداة readelf ربط المقاطع والأقسام في ملف ELF مع الملف الثنائي ‎/bin/ls. انتقل إلى نهاية الخرج حيث يمكننا أن نرى الأقسام المنقولة إلى المقاطع، فمثلًا يُوضَع القسم ‎.interp في المقطع الذي له الراية INTERP. لاحظ أن الأداة readelf تخبرنا بطلب المفسّر ‎/lib/ld.so.1، وهو الرابط الديناميكي الذي يُشغَّل لإعداد الملف الثنائي للتنفيذ. يمكننا أن نرى الفرق بين النص والبيانات بالنظر إلى مقطعي LOAD. لاحظ أن المقطع الأول لديه أذونات القراءة والتنفيذ فقط، بينما يكون للمقطع الآخر أذونات القراءة والكتابة والتنفيذ، أي أن مقطع الشيفرة له أذونات القراءة والكتابة (r/w) ومقطع البيانات له أذونات القراءة والكتابة والتنفيذ (r/w/e)، ولكن لا يجب أن تكون البيانات قابلة للتنفيذ. لن يُميَّز قسم البيانات في معظم المعماريات مثل المعمارية x86 الأكثر شيوعًا على أنه يحتوي على قسم بيانات قابل للتنفيذ. لكن المثال السابق مأخوذ من معمارية PowerPC التي لها نموذج برمجة مختلف قليلًا وهو واجهة التطبيق الثنائية Application Binary Interface -أو ABI اختصارًا- التي تتطلب أن يكون قسم البيانات قابلًا للتنفيذ. هذه هي حياة مبرمج الأنظمة، إذ وُضِعت القواعد لكسرها. تستدعي واجهة ABI في معمارية PowerPC شيفرات اختبارية Stubs للدوال في المكتبات الديناميكية مباشرةً في جدول الإزاحة العام Global Offset Table -أو GOT اختصارًا- بدلًا من جعلها ترتد بين مدخلات منفصلة من جدول PLT، وبالتالي يحتاج المعالج إلى أذونات تنفيذ للقسم GOT الذي يمكنك رؤيته مضمَّنًا في مقطع البيانات. الشيء الآخر الذي يجب ملاحظته هو أن حجم الملف هو حجم الذاكرة نفسه لمقطع الشيفرة، ولكن حجم الذاكرة أكبر من حجم ملف مقطع البيانات، ويأتي ذلك من القسم BSS الذي يحتوي على متغيرات عامة صفرية. واجهات ABI تُعَد واجهة ABI مصطلحًا ستسمع عنه كثيرًا عند العمل مع برمجة الأنظمة، وهو مختلف عن مصطلح API الذي يُعَد واجهات يراها المبرمج في شيفرته البرمجية. تشير ABI إلى واجهات المستوى الأدنى التي يجب أن يتفق عليها المصرِّف ونظام التشغيل والمعالج إلى حد ما للتواصل مع بعضها البعض. سنقدم فيما يلي عددًا من المفاهيم المهمة لفهم واجهات ABI. ترتيب البايتات تُرتَّب البايتات باستخدام ترتيب Endianess الذي يحتوي على نوعين هما: Big-endian أي تخزين البتات الأقل أهمية أولًا، و Little-endian أي تخزين البتات الأكثر أهمية أولًا. العرف المتبع في الاستدعاءات يمكن تنفيذ الاستدعاءات بطريقتين هما: تمرير المعاملات باستخدام المسجلات registers أو المكدس stack وواصفات الدوال. بخصوص واصفات الدوال، لا تُستدعَى الدالة في العديد من المعماريات مباشرةً، بل تُستدعَى عبر واصف دالة Function Descriptor. يتكون واصف الدالة في المعمارية IA64 مثلًا من مكونين هما: عنوان الدالة (يُمثَّل بقيمة مقدارها 64 بتًا أو 8 بايتات) وعنوان المؤشر العام Global Pointer أو gp اختصارًا. تحدد واجهة ABI أن المسجل r1 يجب أن يحتوي دائمًا على قيمة المؤشر gp الخاص بالدالة، وهذا يعني أن مهمة المستدعي عند استدعاء دالة هي حفظ قيمة المؤشر gp الخاصة به وضبط المسجل r1 على القيمة الجديدة من واصف الدالة ثم استدعاء هذه الدالة. تُعَد واصفات الدوال مفيدة للغاية كما سترى لاحقًا. يمكن أن تأخذ تعليمة الجمع add في المعالج IA64 قيمة فورية ذات حجم بحد أقصى 22 بتًا بسبب الطريقة التي يحزُم بها المعالج IA64 التعليمات، حيث تُوضَع ثلاثة تعليمات في كل حزمة، ولا يوجد سوى مساحة كافية للاحتفاظ بقيمة 22 بتًا للحفاظ على الحزمة مع بعضها البعض. القيمة الفورية Immediate Value هي القيمة المحددة مباشرةً وليس القيمة الموجودة في المسجل، إذ تُعَد القيمة 100 في التعليمة add r1 + 100 هي القيمة الفورية. يمكن أن تتمكن 22 بتًا من تمثيل 4194304 بايت أو 4 ميجابايتات، وبالتالي يمكن إزاحة كل دالة مباشرة في حيّز ذاكرة كبير مقداره 4 ميجابايتات دون الحاجة إلى تحمل عناء تحميل أيّ قيمٍ في المسجل. إذا اتفق المصرِّف والرابط والمحمِّل على ما يشير إليه المؤشر العام كما هو محدد في واجهة ABI، فيمكن تحسين الأداء من خلال تقليل عمليات التحميل. ترجمة -وبتصرُّف- للأقسام Review of executable files و Representing executable files و ELF و ABIs من فصل Behind the process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: تطبيق عملي لبناء برنامج تنفيذي من شيفرة مصدرية بلغة C العمليات وعناصرها في نظام تشغيل الحاسوب تمثيل الأنواع والأعداد في الأنظمة الحاسوبية

تعرّفنا في المقال السابق من سلسلة مدخل لعلم الحاسوب على الخطوات الثلاث لبناء ملف قابل للتنفيذ هي: التصريف Compiling والتجميع Assembling والربط Linking، وسنطبّق في هذا المقال هذه الخطوات عمليًا لبناء ملف قابل للتنفيذ. تابع فيما الخطوات التي جرى اتخاذها لبناء تطبيق بسيط خطوة بخطوة. لاحظ أن الأمر gcc يشغّل برنامجَ تشغيلٍ driver program يخفي معظم الخطوات عنك، وهذا هو ما تريده بالضبط في ظل الظروف العادية، لأن الأوامر والخيارات الدقيقة للحصول على ملف قابلٍ للتنفيذ على نظام حقيقي يمكن أن تكون معقدة للغاية وخاصةً بكل معمارية على حدة. سنشرح عملية التصريف في المثالين التاليين، حيث سنستخدم ملفين مصدريين مكتوبين بلغة C، إذ يعرّف أحدهما الدالة الرئيسية main()‎ التي تُعَد نقطة الدخول الأولية، ويصرّح الملف الآخر عن دالة مساعدة، وهناك متغير عام واحد. إليك مثال مرحبًا بالعالم Hello World: #include <stdio.h> ‫/* نحتاج نموذجًا أوليًا ليعرف المصرّف نوع الدالة‫ function()‎ */ int function(char *input); ‫/* ‫بما أن هذا المتغير ساكن static، فيمكننا تعريفه في كلٍّ من الملفين hello.c وfunction.c */ static int i = 100; /* هذا متغير عام */ int global = 10; int main(void) { ‫/* ‫يجب أن تعيد الدالة function()‎ قيمة المتغير العام global */ int ret = function("Hello, World!"); exit(ret); } إليك مثال على دالة: #include <stdio.h> static int i = 100; ‫/* مُصرّح عنه بأنه خارجي‫ extern لأنه مُعرَّف في الملف hello.c */ extern int global; int function(char *input) { printf("%s\n", input); return global; } التصريف Compiling لكل المصرِّفات خيارٌ لتنفيذ الخطوة الأولى من التصريف فقط مثل استخدام الراية ‎-S لوضع الخرج في ملف يحمل اسم ملف الدخل نفسه ولكن مع اللاحقة ‎.s، وبالتالي يمكننا عرض الخطوة الأولى باستخدام الأمر gcc -S كما هو موضح في المثال التالي: $ gcc -S hello.c $ gcc -S function.c $ cat function.s .file "function.c" .pred.safe_across_calls p1-p5,p16-p63 .section .sdata,"aw",@progbits .align 4 .type i#, @object .size i#, 4 i: data4 100 .section .rodata .align 8 .LC0: stringz "%s\n" .text .align 16 .global function# .proc function# function: .prologue 14, 33 .save ar.pfs, r34 alloc r34 = ar.pfs, 1, 4, 2, 0 .vframe r35 mov r35 = r12 adds r12 = -16, r12 mov r36 = r1 .save rp, r33 mov r33 = b0 .body ;; st8 [r35] = r32 addl r14 = @ltoffx(.LC0), r1 ;; ld8.mov r37 = [r14], .LC0 ld8 r38 = [r35] br.call.sptk.many b0 = printf# mov r1 = r36 ;; addl r15 = @ltoffx(global#), r1 ;; ld8.mov r14 = [r15], global# ;; ld4 r14 = [r14] ;; mov r8 = r14 mov ar.pfs = r34 mov b0 = r33 .restore sp mov r12 = r35 br.ret.sptk.many b0 ;; .endp function# .ident "GCC: (GNU) 3.3.5 (Debian 1:3.3.5-11)" تُعَد عملية التجميع Assembly معقدة قليلًا، ولكن يجب أن تكون قادرًا على معرفة مكان تعريف المتغير i بوصفه data4 أي 4 بايتات أو 32 بتًا بحجم النوع int، ومكان تعريف الدالة function (بالشكل function:‎) واستدعاء الدالة printf()‎. أصبح لدينا الآن ملفا تجميع جاهزين لتجميعهما في شيفرة الآلة البرمجية machine code. التجميع Assembly التجميع هو عملية مباشرة إلى حد ما، ويُطلَق على المجمّع as ويأخذ وسائطًا بطريقة مماثلة للأمر gcc. إليك مثال عن التجميع: $ as -o function.o function.s $ as -o hello.o hello.s $ ls function.c function.o function.s hello.c hello.o hello.s تنتج عن عملية التجميع التعليمات المُصرَّفة Object Code، حيث تكون هذه الشيفرة جاهزةً لربطها مع بعضها البعض في الملف النهائي القابل للتنفيذ. يمكنك تخطي الاضطرار إلى استخدام المُجمِّع يدويًا من خلال استدعاء المصرِّف مع الراية ‎-c التي تحوّل ملف الدخل مباشرةً إلى شيفرة كائن، وتضعها في ملف له البادئة نفسها ولكن مع اللاحقة ‎.o. لا يمكننا فحص شيفرة التعليمات المُصرَّفة مباشرةً لأنها في صيغة ثنائية، ولكن يمكننا استخدام بعض الأدوات لفحص ملفات التعليمات المُصرَّفة مثل الأداة readelf --symbols التي ستعرض الرموز الموجودة في ملف الكائن كما يلي: $ readelf --symbols ./hello.o Symbol table '.symtab' contains 15 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND 1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS hello.c 2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1 3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3 4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4 5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5 6: 0000000000000000 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 5 i 7: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6 8: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7 9: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8 10: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 10 11: 0000000000000004 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 5 global 12: 0000000000000000 96 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main 13: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND function 14: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND exit $ readelf --symbols ./function.o Symbol table '.symtab' contains 14 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND 1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS function.c 2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1 3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3 4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4 5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5 6: 0000000000000000 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 5 i 7: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6 8: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7 9: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8 10: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 10 11: 0000000000000000 128 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 function 12: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf 13: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND global يُعَد هذا الخرج معقدًا للغاية، ولكن يجب أن تكون قادرًا على فهم الكثير منه مثل: لاحظ الرمز الذي يحمل الاسم i في الخرج hello.o، حيث يُسبَق هذا الرمز بالكلمة LOCAL أي أنه محلي، لأننا صرّحنا عنه بأنه ساكن static، وبالتالي يُميَّز على أنه محلي لملف الكائن. لاحظ المتغير global في الخرج نفسه المُعرَّف على أنه متغير عام GLOBAL، مما يعني أنه مرئي خارج هذا الملف، وتكون الدالة الرئيسية main()‎ مرئية من خارج الملف. لاحظ أن الرمز function له النوع UND أو غير مُعرَّف Undefined من أجل استدعاء الدالة function()‎، أي أن الأمر متروك للرابط Linker للعثور على عنوان الدالة. لاحظ الرموز الموجودة في الملف function.c وكيفية ملاءمتها مع الخرج. الربط Linking يُعَد استدعاء الرابط المُسمَّى ld عمليةً معقدة للغاية على نظام حقيقي، لذلك نترك عملية الربط للأمر gcc، ولكن يمكننا التعرّف على ما يفعله داخليًا باستخدام الراية ‎-v التي ترمز إلى Verbose أي مُفصَّلة. إليك مثال عن عملية الربط: /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/collect2 -static /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/../../../crt1.o /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/../../../crti.o /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5 -L/usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/../../.. hello.o function.o --start-group -lgcc -lgcc_eh -lunwind -lc --end-group /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/crtend.o /usr/lib/gcc-lib/ia64-linux/3.3.5/../../../crtn.o أول شيء تلاحظه هو استدعاء برنامج بالاسم collect2 وهو عبارة عن مُغلِّف للرابط ld، ويستخدم الأمر gcc داخليًا. الشيء الآخر الذي ستلاحظه هو ملفات الكائنات التي تبدأ بالرمز crt أي أنها مُحدَّدة للرابط. يُوفّر الأمر gcc ومكتبات النظام هذه الدوال التي تحتوي على الشيفرة البرمجية المطلوبة لبدء البرنامج. لا تُعَد الدالة الرئيسية main()‎ أول دالة مُستدعاة عند تشغيل البرنامج، بل تُستدعَى أولًا الدالة ‎_start الموجودة في ملفات الكائنات crt، حيث تضبط هذه الدالة بعض الإعدادات العامة التي لا يجب أن يقلق مبرمجو التطبيقات بشأنها. يُعَد تسلسل المسار الهرمي معقدًا للغاية، ولكن يمكننا أن نرى أن الخطوة الأخيرة هي ربط بعض ملفات الكائنات الإضافية وهي: crt1.o: توفره مكتبات النظام libc، ويحتوي على الدالة ‎_start التي تُعَد أول شيء يُستدعَى في البرنامج. crti.o: توفّره مكتبات النظام. crtbegin.o crtsaveres.o crtend.o crtn.o يمكنك أن ترى بعد ذلك أننا نربط ملفي الكائنات hello.o وfunction.o، ثم نحدّد بعض المكتبات الإضافية باستخدام رايات ‎-l، حيث تُعَد هذه المكتبات خاصةً بالنظام ومطلوبة لكل برنامج. الراية الرئيسية هي الراية ‎-lc التي تجلب مكتبة C التي تحتوي على جميع الدوال المشتركة مثل الدالة printf()‎. نربط بعد ذلك مرة أخرى بعض ملفات كائنات النظام التي تطبّق بعض عمليات التنظيف بعد انتهاء البرامج. تُعَد هذه التفاصيل معقدة، إلا أن مفهومها واضح ومباشر. سنربط بعد ذلك جميع ملفات التعليمات المُصرَّفة مع بعضها البعض في ملف واحد قابل للتنفيذ وجاهز للتشغيل. الملف القابل للتنفيذ Executable سندخل في مزيد من التفاصيل حول الملف القابل للتنفيذ لاحقًا، ولكن يمكننا إجراء فحص بطريقة مماثلة لملفات الكائنات لمعرفة ما يحدث. إليك مثال عن ملف قابل للتنفيذ: ianw@lime:~/programs/csbu/wk7/code$ gcc -o program hello.c function.c ianw@lime:~/programs/csbu/wk7/code$ readelf --symbols ./program Symbol table '.dynsym' contains 11 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND 1: 6000000000000de0 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT ABS _DYNAMIC 2: 0000000000000000 176 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@GLIBC_2.2 (2) 3: 600000000000109c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start 4: 0000000000000000 704 FUNC GLOBAL DEFAULT UND exit@GLIBC_2.2 (2) 5: 600000000000109c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _edata 6: 6000000000000fe8 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT ABS _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 7: 60000000000010b0 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _end 8: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _Jv_RegisterClasses 9: 0000000000000000 544 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@GLIBC_2.2 (2) 10: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__ Symbol table '.symtab' contains 127 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND 1: 40000000000001c8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1 2: 40000000000001e0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2 3: 4000000000000200 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3 4: 4000000000000240 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4 5: 4000000000000348 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5 6: 40000000000003d8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6 7: 40000000000003f0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7 8: 4000000000000410 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8 9: 4000000000000440 0 SECTION LOCAL DEFAULT 9 10: 40000000000004a0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 10 11: 40000000000004e0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 11 12: 40000000000005e0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 12 13: 4000000000000b00 0 SECTION LOCAL DEFAULT 13 14: 4000000000000b40 0 SECTION LOCAL DEFAULT 14 15: 4000000000000b60 0 SECTION LOCAL DEFAULT 15 16: 4000000000000bd0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 16 17: 4000000000000ce0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 17 18: 6000000000000db8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 18 19: 6000000000000dd0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 19 20: 6000000000000dd8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 20 21: 6000000000000de0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 21 22: 6000000000000fc0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 22 23: 6000000000000fd0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 23 24: 6000000000000fe0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 24 25: 6000000000000fe8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 25 26: 6000000000001040 0 SECTION LOCAL DEFAULT 26 27: 6000000000001080 0 SECTION LOCAL DEFAULT 27 28: 60000000000010a0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 28 29: 60000000000010a8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 29 30: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 30 31: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 31 32: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 32 33: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 33 34: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 34 35: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 35 36: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 36 37: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 37 38: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 38 39: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 39 40: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 41: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 42: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 43: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 44: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 45: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 46: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 47: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 48: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 49: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 50: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS abi-note.S 51: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 52: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS abi-note.S 53: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 54: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS abi-note.S 55: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 56: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 57: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 58: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 59: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS abi-note.S 60: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS init.c 61: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 62: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 63: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS initfini.c 64: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 65: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 66: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 67: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 68: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 69: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 70: 4000000000000670 128 FUNC LOCAL DEFAULT 12 gmon_initializer 71: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 72: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 73: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS initfini.c 74: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 75: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 76: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 77: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 78: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 79: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /build/buildd/glibc-2.3.2 80: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS auto-host.h 81: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 82: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 83: 6000000000000fc0 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 22 __CTOR_LIST__ 84: 6000000000000fd0 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 23 __DTOR_LIST__ 85: 6000000000000fe0 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 24 __JCR_LIST__ 86: 6000000000001088 8 OBJECT LOCAL DEFAULT 27 dtor_ptr 87: 40000000000006f0 128 FUNC LOCAL DEFAULT 12 __do_global_dtors_aux 88: 4000000000000770 128 FUNC LOCAL DEFAULT 12 __do_jv_register_classes 89: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS hello.c 90: 6000000000001090 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 27 i 91: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS function.c 92: 6000000000001098 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 27 i 93: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS auto-host.h 94: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <command line> 95: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS <built-in> 96: 6000000000000fc8 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 22 __CTOR_END__ 97: 6000000000000fd8 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 23 __DTOR_END__ 98: 6000000000000fe0 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 24 __JCR_END__ 99: 6000000000000de0 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT ABS _DYNAMIC 100: 4000000000000a70 144 FUNC GLOBAL HIDDEN 12 __do_global_ctors_aux 101: 6000000000000dd8 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __fini_array_end 102: 60000000000010a8 8 OBJECT GLOBAL HIDDEN 29 __dso_handle 103: 40000000000009a0 208 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 __libc_csu_fini 104: 0000000000000000 176 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@@GLIBC_2.2 105: 40000000000004a0 32 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 _init 106: 4000000000000850 128 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 function 107: 40000000000005e0 144 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 _start 108: 6000000000001094 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 27 global 109: 6000000000000dd0 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __fini_array_start 110: 40000000000008d0 208 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 __libc_csu_init 111: 600000000000109c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start 112: 40000000000007f0 96 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 main 113: 6000000000000dd0 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __init_array_end 114: 6000000000000dd8 0 NOTYPE WEAK DEFAULT 20 data_start 115: 4000000000000b00 32 FUNC GLOBAL DEFAULT 13 _fini 116: 0000000000000000 704 FUNC GLOBAL DEFAULT UND exit@@GLIBC_2.2 117: 600000000000109c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _edata 118: 6000000000000fe8 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT ABS _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 119: 60000000000010b0 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _end 120: 6000000000000db8 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __init_array_start 121: 6000000000001080 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 27 _IO_stdin_used 122: 60000000000010a0 8 OBJECT GLOBAL DEFAULT 28 __libc_ia64_register_back 123: 6000000000000dd8 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 20 __data_start 124: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _Jv_RegisterClasses 125: 0000000000000000 544 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@@GLIBC_ 126: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__ إليك بعض الأشياء التي يجب ملاحظتها: لاحظ طريقة بناء الملف القابل للتنفيذ السهلة. لاحظ وجود نوعين من جداول الرموز هما: dynsym وsymtab. سنشرح كيفية عمل رموز dynsym لاحقًا، ولكن لاحظ أن بعضها يحمل الرمز @. لاحظ الرموز العديدة المُضمَّنة من ملفات الكائنات الإضافية، حيث يبدأ الكثير منها بالرمز __ لتجنب التعارض مع الأسماء التي يختارها المبرمج. اقرأ واختر الرموز التي ذكرناها سابقًا من ملفات الكائنات واكتشف إن تغيرت بأيّ شكل من الأشكال. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم A practical example من فصل The Toolchain من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: كيفية إنشاء ملف قابل للتنفيذ Executable File من شيفرة برمجية مصدرية Source Code المقال التالي: مفهوم الربط الديناميكي Dynamic Linking في معمارية الحاسوب كيفية تصريف وبناء البرامج المكتوبة بلغة Cpp أنظمة التصريف المستخدمة لبناء البرامج المكتوبة بلغة Cpp وأهم أخطاء عملية البناء

ناقشنا حتى الآن في سلسلة مدخل لعلم الحاسوب كيفية تحميل البرنامج في الذاكرة الوهمية، وسنبدأ في هذا المقال بالتعرف على عملية يتعقّبها نظام التشغيل ويتفاعل معها باستخدام استدعاءات النظام هي عملية التصريف Compiling. سنتعرّف في هذا المقال على الخطوات الثلاث لإنشاء ملف قابل للتنفيذ، ولكن سنبدأ أولًا بالتعرّف على الفرق بين البرامج المُصرَّفة Compiled Programs والبرامج المُفسَّرة Interpreted Programs. البرامج المُصرَّفة Compiled Programs والبرامج المُفسَّرة Interpreted programs يجب أن يكون البرنامج الذي يمكن تحميله مباشرةً في الذاكرة بصيغة ثنائية binary format، حيث تُسمَّى عملية تحويل الشيفرة البرمجية المكتوبة بلغةٍ مثل لغة C إلى ملف ثنائي جاهز للتنفيذ بعملية التصريف التي تُطبَّق باستخدام مصرِّف Compiler، والمثال الأكثر انتشارًا هو المصرِّف gcc. للبرامج المُصرَّفة بعض العيوب في تطوير البرمجيات الحديثة، إذ يجب استدعاء المصرِّف لإعادة إنشاء الملف القابل للتنفيذ في كل مرة يُجري فيها المطور تعديلًا -لو بسطيًا- وفي المقابل يمكن منطقيًا وبناءً على ذلك تصميم برنامجٍ مُصرَّف يمكنه قراءة برنامج آخر وتنفيذ شيفرته البرمجية سطرًا سطرًا، ونسمي هذا النوع من البرامج المُصرَّفة بالبرامج المُفسَّرة Interpreter لأنها تفسّر كل سطر من ملف الدخل وتنفّذه بوصفه شيفرة برمجية، بحيث لا تكون هناك حاجة لتصريف البرنامج وستظهر أي تعديلات جديدة مضافة في المرة التالية التي يشغّل فيها المفسِّر الشيفرة البرمجية. تعمل البرامج المفسَّرة عادةً بصورة أبطأ من نظيرتها المُصرَّفة، حيث يمكن مصادفة حِمل البرنامج في قراءة وتفسير الشيفرة البرمجية مرةً واحدة فقط في البرامج المُصرَّفة، بينما يصادف البرنامج المفسَّر هذا الحِمل في كل مرة يُشغَّل فيها. لكن تمتلك اللغات المفسَّرة العديد من الجوانب الإيجابية، حيث تعمل العديد من اللغات المفسرة فعليًا في آلة افتراضية virtual machine مُجرَّدة من العتاد الأساسي. تُعَد لغتا بايثون Python و Perl 6 من اللغات التي تستخدم آلةً افتراضية تفسّر الشيفرة البرمجية. الآلات الافتراضية Virtual Machines يعتمد البرنامج المُصرَّف كليًا على عتاد الآلة التي يُصرَّف من أجلها، إذ يجب أن يكون هذا العتاد قادرًا على نسخ البرنامج في الذاكرة وتنفيذه، حيث تُعَد الآلة الافتراضية Virtual Machine تجريدًا برمجيًا للعتاد. تستخدم لغة جافا Java مثلًا نهجًا هجينًا يجمع بين التصريف والتفسير، فهي لغة مُصرَّفة جزئيًا ومُفسَّرة جزئيًا. تُصرَّف شيفرة جافا في برنامج يعمل ضمن آلة جافا الافتراضية Java Virtual Machine أو يشار إليها JVM اختصارًا، وبالتالي يمكن تشغيل البرنامج المُصرَّف على أيّ عتاد يحتوي على آلة JVM خاصة به، أي يمكنك أن تكتب شيفرتك البرمجية مرة واحدة وتشغّلها في أيّ مكان. بناء ملف قابل للتنفيذ هناك ثلاث خطوات منفصلة تتضمنها عملية إنشاء ملف قابل للتنفيذ عندما نتحدث عن المُصرِّفات وهذه الخطوات هي: التصريف Compiling التجميع Assembling الربط Linking تسمَّى جميع المكونات المتضمنة في هذه العملية بسلسلة الأدوات Toolchain، إذ تكون هذه الأدوات على شكل سلسلة بحيث يكون خرج إحداها دخلًا للأخرى حتى الوصول إلى الخرج النهائي. يأخذ كل رابط في السلسلة الشيفرةَ البرمجية تدريجيًا بحيث تكون أقرب إلى كونها شيفرة برمجية ثنائية مناسبةً للتنفيذ. التصريف Compiling تتمثل الخطوة الأولى لتصريف ملف مصدري إلى ملف قابل للتنفيذ في تحويل الشيفرة البرمجية من لغة عالية المستوى يفهمها الإنسان إلى شيفرة تجميع Assembly Code تعمل مباشرةً مع التعليمات والمسجلات التي يوفرها المعالج. تُعَد عملية التصريف أكثر الخطوات تعقيدًا لعدة أسباب أولها أنه لا يمكن التنبؤ بتصرفات البشر، فلديهم شيفرتهم البرمجية الخاصة بأشكال مختلفة. يهتم المصرِّف بالشيفرة البرمجية الفعلية فقط، ولكن يحتاج البشر لأشياء إضافية مثل التعليقات والمسافات البيضاء (الفراغات ومسافات الجدولة Tab والمسافات البادئة وما إلى ذلك) لفهم هذه الشيفرة البرمجية. تسمى العملية التي يتخذها المصرِّف لتحويل الشيفرة البرمجية التي يكتبها الإنسان إلى تمثيلها الداخلي بعملية التحليل Parsing. هناك خطوة قبل تحليل الشيفرة البرمجية في الشيفرة المكتوبة بلغة C، حيث تسمَّى هذه الخطوة بالمعالجة المُسبَقة أو التمهيدية يقوم بها المعالج المسبق Pre-processor، وهو عبارة عن برنامج لاستبدال النصوص، حيث يُستبدَل مثلًا المتغير variable المُصرَّح عنه بالشكل ‎#define variable text بالنص text، ثم تُمرَّر هذه الشيفرة البرمجية المعالَجة مسبقًا إلى المصرِّف. الصياغة لكل لغة برمجة صياغة معينة تمثّل قواعد اللغة، بحيث يعرف المبرمج والمصرِّف قواعد الصياغة ليفهما بعضهما البعض ويسير كل شيء على ما يرام. ينسى البشر القواعد أو يكسرونها في أغلب الأحيان، مما يجعل المصرِّف غير قادر على فهم ما يقصده المبرمج، فإن لم تضع قوس الإغلاق لشرط if مثلًا، فلن يعرف المصرِّف مكان الشرط فعليًا. تُوصَف الصياغة في صيغة باكوس نور Backus-Naur Form -أو BNF اختصارًا- في أغلب الأحيان، وهي لغة يمكنك من خلالها وصف اللغات، والشكل الأكثر شيوعًا منها هو صيغة باكور نور الموسَّعة Extended Backus-Naur Form -أو EBNF اختصارًا- التي تسمح ببعض القواعد الإضافية الأكثر ملاءمة للغات الحديثة. توليد شيفرة التجميع Assembly Generation وظيفة المصرِّف هي ترجمة لغة عالية المستوى higher level language إلى شيفرة تجميع مناسبة للهدف من التصريف، فلكل معمارية مجموعة تعليمات مختلفة وأعداد مختلفة من المسجلات وقواعد مختلفة للتشغيل الصحيح. المحاذاة Alignment تُعَد محاذاة المتغيرات في الذاكرة أمرًا مهمًا للمصرِّفات، إذ يحتاج مبرمجو الأنظمة أن يكونوا على دراية بقيود المحاذاة لمساعدة المصرِّف على إنشاء أكثر شيفرة برمجية فعّالة ممكنة. لا تستطيع وحدات المعالجة المركزية CPU تحميل قيمة في المسجل من موقع ذاكرة عشوائي، إذ يتطلب ذلك أن تحاذي المتغيرات حدودًا معينة. يمكننا أن نرى في الشكل السابق كيفية تحميل قيمة 32 بتًا (4 بايتات) في مسجل على آلة تتطلب محاذاة بمقدار 4 بايتات للمتغيرات. يمكن تحميل المتغير الأول في المسجل مباشرةً، حيث يقع بين حدود 4 بايتات، ولكن يجتاز المتغير الثاني حدود 4 بايتات، مما يعني أنه ستكون هناك حاجة إلى عمليتي تحميل على الأقل للحصول على المتغير في مسجل واحد إحداهما للنصف السفلي أولًا ثم النصف العلوي. يمكن لبعض المعماريات مثل معمارية x86 التعاملَ مع عمليات التحميل التي تكون دون محاذاة في العتاد مع انخفاض في الأداء، حيث يطبّق العتاد العمل الإضافي للحصول على القيمة في المسجل، بينما لا يمكن أن يكون هناك انتهاك لقواعد المحاذاة في المعماريات الأخرى وسترفع استثناءً يكتشفه نظام التشغيل الذي يتعين عليه بعد ذلك تحميل المسجل يدويًا على أجزاء، مما يتسبب في مزيد من الحِمل. حاشية البنية Structure Padding يجب أن يأخذ المبرمجون المحاذاة في الحسبان خاصةً عند إنشاء البنى struct، حيث يمكن للمبرمجين في بعض الأحيان أن يتسببوا في سلوك دون المستوى الأمثل، بينما يعرف المصرِّف قواعد المحاذاة للمعماريات التي يبنيها. ينص معيار C99 على أن البنى ستُرتَّب في الذاكرة بالترتيب المُحدَّد في التصريح نفسه، وستكون جميع العناصر بالحجم نفسه في مصفوفة من البنى. إليك مثال عن حاشية بنية Struct Padding: $ cat struct.c #include <stdio.h> struct a_struct { char char_one; char char_two; int int_one; }; int main(void) { struct a_struct s; printf("%p : s.char_one\n" \ "%p : s.char_two\n" \ "%p : s.int_one\n", &s.char_one, &s.char_two, &s.int_one); return 0; } $ gcc -o struct struct.c $ gcc -fpack-struct -o struct-packed struct.c $ ./struct 0x7fdf6798 : s.char_one 0x7fdf6799 : s.char_two 0x7fdf679c : s.int_one $ ./struct-packed 0x7fcd2778 : s.char_one 0x7fcd2779 : s.char_two 0x7fcd277a : s.int_one أنشأنا في المثال السابق بنية تحتوي على بايتين من النوع char متبوعين بعدد صحيح بحجم 4 بايتات من النوع int. يضيف المصرِّف حاشية للبنية البنية كما يلي: نوجّه في المثال السابق المصرِّف إلى عدم حشو البنى، وبالتالي يمكننا أن نرى أن العدد الصحيح يبدأ مباشرةً بعد قيمتين من النوع char. محاذاة خط الذاكرة المخبئية Cache line alignment تحدثنا سابقًا عن استخدام الأسماء البديلة في الذاكرة المخبئية، وكيف يمكن ربط عدة عناوين مع سطر الذاكرة المخبئية نفسه. يجب أن يتأكد المبرمجون من أنهم لا يتسببون في ارتداد Bouncing في خطوط الذاكرة المخبئية عندما يكتبون برامجهم. يحدث هذا الموقف عندما يصل البرنامج باستمرار إلى منطقتين من الذاكرة ترتبطان مع خط الذاكرة المخبئية نفسه، مما يؤدي إلى هدر هذا الخط، حيث يُحمَّل ويُستخدَم لفترة قصيرة ثم يجب إزالته وتحميل خط الذاكرة المخبئية الآخر في المكان نفسه من الذاكرة المخبئية. يؤدي تكرار هذا الموقف إلى تقليل الأداء بصورة كبيرة، ولكن يمكن تخفيفه من خلال تنظيم البيانات المتعارضة بطرق مختلفة لتجنب تعارض خطوط الذاكرة المخبئية. إحدى الطرق الممكنة لاكتشاف هذا النوع من المواقف هي التشخيص Profiling الذي يمثّل مراقبة الشيفرة البرمجية لتحليل مساراتها التي يمكن استخدامها والمدة المُستغرقَة لتنفيذها. يمكن للمصرِّف باستخدام التحسين المُوجَّه بالتشخيص Profile Guided Optimization -أو PGO اختصارًا- وضعَ بتات إضافية خاصة من الشيفرة البرمجية في أول ثنائية binary يبنيها ويشغّلها ويسجّل الفروع المأخوذة منها وغير ذلك. يمكنك بعد ذلك إعادة تصريفها مع المعلومات الإضافية لإنشاء ثنائية binary مع أداء أفضل، وإلّا فيمكن للمبرمج أن ينظر إلى خرج عملية التشخيص ويكتشف مواقفًا أخرى مثل ارتداد خط الذاكرة المخبئية. المقايضة بين المساحة والسرعة يمكن المقايضة مع ما فعله المصرِّف سابقًا باستخدام ذاكرة إضافية لتحسين السرعة عند تشغيل شيفرتنا البرمجية. يعرف المصرِّف قواعد المعمارية ويمكنه اتخاذ قرارات بشأن أفضل طريقة لمحاذاة البيانات عن طريق مقايضة كميات صغيرة من الذاكرة المهدورة لزيادة الأداء أو للوصول إلى الأداء الصحيح فقط. لا يجب أبدًا -بصفتك مبرمجًا- وضع افتراضات حول طريقة ترتيب المصرِّف للمتغيرات والبيانات، لأنها لا تُعَد قابلةً للنقل، إذ يكون للمعماريات المختلفة قواعدٌ مختلفة ويمكن أن يتخذ المُصرِّف قرارات مختلفة بناءً على أوامر أو مستويات تحسين صريحة. وضع الافتراضات يجب أن تكون -بصفتك مبرمجًا بلغة C- على دراية بما يمكنك افتراضه بشأن ما سيفعله المصرِّف وما يمكن أن يكون متغيرًا. ذُكِر بالتفصيل ما يمكنك أن تفترضه بالضبط وما لا يمكنك افتراضه في معيار C99، حيث إذا كنت مبرمجًا بلغة C، فلا بد أن يكون التعرف على القواعد جديرًا بالعناء لتجنب كتابة شيفرة برمجية غير قابلة للنقل. إليك مثال عن محاذاة المكدس Stack Alignment: $ cat stack.c #include <stdio.h> struct a_struct { int a; int b; }; int main(void) { int i; struct a_struct s; printf("%p\n%p\ndiff %ld\n", &i, &s, (unsigned long)&s - (unsigned long)&i); return 0; } $ gcc-3.3 -Wall -o stack-3.3 ./stack.c $ gcc-4.0 -o stack-4.0 stack.c $ ./stack-3.3 0x60000fffffc2b510 0x60000fffffc2b520 diff 16 $ ./stack-4.0 0x60000fffff89b520 0x60000fffff89b524 diff 4 يمكننا أن نرى في المثال السابق المأخوذ من آلة إيتانيوم Itanium أن حاشية ومحاذاة المكدس تغيرت بصورة كبيرة بين إصدارات المصرِّف gcc، وهذا أمر متوقع ويجب على المبرمج مراعاته. كما يجب عليك التأكد من عدم وضع افتراضات حول حجم الأنواع أو قواعد المحاذاة. مفاهيم لغة C الخاصة بالمحاذاة هناك عدد من تسلسلات الشيفرة البرمجية الشائعة التي تتعامل مع المحاذاة، ويجب أن تضعها معظم البرامج في حساباتها. يمكن أن ترى "مفاهيم الشيفرة البرمجية" في العديد من الأماكن خارج النواة Kernel عند التعامل مع البرامج التي تعالج أجزاءً من البيانات بصيغة أو بأخرى، لذا فإن الأمر يستحق البحث. يمكننا أخذ بعض الأمثلة من نواة لينكس Linux kernel التي يتعين عليها في أغلب الأحيان التعامل مع محاذاة صفحات الذاكرة ضمن النظام. إليك مثال عن التعامل مع محاذاة الصفحات: [ include/asm-ia64/page.h ] /* * ‫يحدّد PAGE_SHIFT حجم صفحة النواة الفعلي */ #if defined(CONFIG_IA64_PAGE_SIZE_4KB) # define PAGE_SHIFT 12 #elif defined(CONFIG_IA64_PAGE_SIZE_8KB) # define PAGE_SHIFT 13 #elif defined(CONFIG_IA64_PAGE_SIZE_16KB) # define PAGE_SHIFT 14 #elif defined(CONFIG_IA64_PAGE_SIZE_64KB) # define PAGE_SHIFT 16 #else # error Unsupported page size! #endif #define PAGE_SIZE (__IA64_UL_CONST(1) << PAGE_SHIFT) #define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE - 1)) #define PAGE_ALIGN(addr) (((addr) + PAGE_SIZE - 1) & PAGE_MASK) يمكننا أن نرى في المثال السابق أن هناك عددًا من الخيارات المختلفة لأحجام الصفحات داخل النواة التي تتراوح من 4 كيلوبايتات إلى 64 كيلوبايت. يَُعد الماكرو PAGE_SIZE واضحًا إلى حد ما، فهو يعطي حجم الصفحة الحالي المحدّد ضمن النظام عن طريق انزياح قيمته 1 باستخدام رقم الانزياح المُعطَى، ويعادل ذلك 2n حيث n هو انزياح الصفحة PAGE_SHIFT. لدينا بعد ذلك تعريف قناع الصفحة PAGE_MASK الذي يسمح لنا بالعثور على تلك البتات الموجودة في الصفحة الحالية فقط، أي إزاحة offset العنوان في صفحته. التحسين Optimisation يريد المصرِّف بمجرد الحصول على تمثيل داخلي للشيفرة البرمجية إيجادَ أفضل خرج بلغة التجميع لدخل الشيفرة البرمجية المُحدَّد. هذه مشكلة كبيرة ومتنوعة وتتطلب معرفة كل شيء من الخوارزميات الفعالة المعتمَدة في علوم الحاسوب إلى المعرفة العميقة بالمعالج الذي ستعمل الشيفرة البرمجية عليه. هناك بعض التحسينات الشائعة التي يمكن أن ينظر إليها المصرِّف عند توليد الخرج، وهناك العديد والعديد من الاستراتيجيات لإنشاء الشيفرة البرمجية الأفضل، ويُعَد ذلك مجال بحث غني. يمكن للمصرِّف أن يرى في كثير من الأحيان أنه لا يمكن استخدام جزء معين من الشيفرة البرمجية، لذا يتركه لتحسين بنية لغة معينة وينتقل إلى شيء أصغر يوصل للنتيجة نفسها. فك الحلقات Unrolling Loops: إذا احتوت الشيفرة البرمجية على حلقة مثل حلقة for أو while وكان لدى المُصرِّف فكرة عن عدد المرات التي ستنفّذ فيها، فسيكون فك الحلقة أكثر فاعلية بحيث تُنفَّذ تسلسليًا، إذ تُكرَّر شيفرة الحلقة الداخلية لتنفيذها عدد المرات ذاك أخرى بدلًا من تنفيذ الجزء الداخلي من الحلقة ثم العودة إلى البداية لتكرار العملية. تزيد هذه العملية من حجم الشيفرة البرمجية، إذ يمكن أن تسمح للمعالج بتنفيذ التعليمات بفعالية، حيث يمكن أن تتسبب الفروع في تقليل كفاءة خط أنابيب التعليمات الواردة إلى المعالج. الدوال المضمنة Inlining Functions: يمكن وضع دوال مُضمَّنة لاستدعائها ضمن المستدعي callee، ويمكن للمبرمج تحديد ذلك للمصرِّف من خلال وضع الكلمة inline في تعريف الدالة، ويمكنك مقايضة حجم الشيفرة البرمجية بتسلسل تنفيذها من خلال ذلك. توقع الفرع Branch Prediction: إذا صادف الحاسوب تعليمة if، فهناك نتيجتان محتملتان إما صحيحة أو خاطئة. يريد المعالج الاحتفاظ بأنابيبه الواردة ممتلئة قدر الإمكان، لذا لا يمكنه انتظار نتيجة الاختبار قبل وضع الشيفرة البرمجية في خط الأنابيب، وبالتالي يمكن للمصرِّف أن يتنبأ بالطريقة التي يُحتمَل أن يسير بها الاختبار. هناك بعض القواعد البسيطة التي يمكن أن يستخدمها المصرِّف لتخمين هذه الأمور، فمثلًا لا يُحتمَل أن تكون التعليمة if (val == -1)‎ صحيحةً، لأن القيمة ‎-1 تشير عادةً إلى رمز خطأ ونأمل ألّا تُشغَّل هذه التعليمة كثيرًا. يمكن لبعض المصرِّفات تصريف البرنامج، وجعل المستخدم يشغّله ليلاحظ الطريق الذي تسير به الفروع في ظل ظروف واقعية، ويمكنه بعد ذلك إعادة تصريفه بناءً على ما شاهده. المجمع Assembler تبقى شيفرة التجميع التي أخرجها المصرِّف في صيغة يمكن أن يقرأها الإنسان إذا كنت على معرفة بتفاصيل شيفرة التجميع الخاصة بالمعالج. يُلقي المطورون في أغلب الأحيان نظرة خاطفة على خرج التجميع للتحقق يدويًا من أن الشيفرة البرمجية هي الأفضل أو لاكتشاف أخطاء المصرِّف، ويُعَد ذلك أكثر شيوعًا مما هو متوقع خاصةً عندما يكثِر المصرِّف من التحسينات. المجمِّع assembly هو عملية آلية لتحويل شيفرة التجميع إلى صيغة ثنائية. يحتفظ المجمّع بجدول كبير لكل تعليمة ممكنة ولنظيرها الثنائي الذي يسمى شيفرة العملية Op Code. يدمج المجمّع شيفرات العمليات مع المسجلات المحدَّدة في شيفرة التجميع لإنتاج ملف ثنائي بوصفه خرجًا. يُطلق على هذه الشيفرة بشيفرة التعليمات المُصرَّفة Object Code، وهي شيفرة غير قابلة للتنفيذ في هذه المرحلة، وتُعد مجرد تمثيل ثنائي للدخل الذي يمثل شيفرة برمجية مصدرية. يُفضَّل ألّا يضع المبرمج الشيفرة المصدرية بأكملها في ملفٍ واحد. الرابط Linker ستُقسَم في أغلب الأحيان الشيفرة البرمجية في برنامج كبير إلى ملفات متعددة لتكون الدوال ذات الصلة مع بعضها بعضًا. يمكن تصريف كل ملفٍ من هذه الملفات إلى شيفرة تعليمات مُصرَّفة ولكن هدفك النهائي هو إنشاء ملف قابل للتنفيذ. يجب أن يكون هناك طريقة ما لدمجها في ملف واحد قابل للتنفيذ، حيث نسمي هذه العملية بالربط Linking. لاحظ أنه لا يزال يجب ربط برنامجك بمكتبات نظام معينة للعمل بصورة صحيحة حتى إن كان برنامجك مناسبًا لملفٍ واحد، إذ يكون الاستدعاء printf مثلًا في مكتبة يجب دمجها مع ملفك القابل للتنفيذ ليعمل، لذا لا تزال هناك بالتأكيد عملية ربط تحدث لإنشاء ملفك القابل للتنفيذ بالرغم من أنه لا داعي للقلق صراحةً بشأن الربط في هذه الحالة. سنشرح فيما يلي بعض المصطلحات الأساسية لفهم عملية الربط. الرموز Symbols لجميع المتغيرات والدوال أسماء في الشيفرة المصدرية، إذ نشير إليها باستخدام هذه الأسماء. تتمثل إحدى طرق التفكير في تعليمة التصريح عن متغير int a في أنك تخبر المصرِّف بأن يحجز حيزًا من الذاكرة بحجم sizeof(int)‎، وبالتالي كلما استخدمت اسم المتغير a، فسيشير إلى هذه الذاكرة المخصَّصة، وكذلك الأمر بالنسبة للدالة التي تخبر المصرِّف بأن يحزّن هذه الشيفرة البرمجية في الذاكرة، ثم ينتقل إليها وينفّذها عند استدعاء الدالة function()‎. وبالتالي نستدعي الرمزين a و function لأنهما يُعَدان تمثيلًا رمزيًا لمنطقةٍ من الذاكرة. تساعد هذه الرموز البشر على فهم البرمجة. لكن يمكنك القول أن المهمة الأساسية لعملية التصريف هي إزالة هذه الرموز، إذ لا يعرف المعالج ما يمثله الرمز a، فكل ما يعرفه هو أن لديه بعض البيانات في عنوان ذاكرة معين. تحوِّل عملية التصريف التعليمة a += 2 إلى العبارة "زيادة القيمة الموجودة في العنوان 0xABCDE من الذاكرة بمقدار 2". لنفترض أنك قسمت برنامجك إلى ملفين، ولكن تريد بعضُ الدوال مشاركةَ متغيرٍ ما. نريد تعريفًا Definition أو موقعًا واحدًا فقط في الذاكرة للمتغير المشترك وإلا فلا يمكن مشاركته، ولكن يجب أن يشير كلا الملفين إليه. يمكن ذلك من خلال التصريح عن المتغير في ملف واحد، ثم نصرّح في الملف الآخر عن متغير بالاسم نفسه مع البادئة extern التي ترمز إلى أنه خارجي External وترمز للمبرمج بأن هذا المتغير مُصرَّحٌ عنه في مكان آخر. تخبر الكلمة extern المصرِّف أنه لا ينبغي تخصيص أي مساحة في الذاكرة لهذا المتغير، ويجب ترك هذا الرمز في التعليمات المُصرَّفة لإصلاحه لاحقًا. لا يمكن للمصرِّف أن يعرف مكان تعريف الرمز فعليًا ولكن الرابط Linker يمكنه ذلك، فوظيفته هي النظر في جميع ملفات التعليمات المُصرَّفة ودمجها في ملف واحد قابل للتنفيذ. لذا سيرى الرابط هذا الرمز في الملف الثاني، وسيقول: "رأيت هذا الرمز مسبقًا في الملف 1، وأعلم أنه يشير إلى موقع الذاكرة 0x12345"، وبالتالي يمكن تعديل قيمة الرمز لتكون قيمة الذاكرة للمتغير الموجود في الملف الأول. تُعَد الكلمة ساكن static عكس خارجي extern تقريبًا، لأنها تضع قيودًا على رؤية الرمز الذي نريد تعديله. إذا صرّحتَ عن متغير بأنه ساكن static، فهذا يعني للمصرّف بألا يترك أيّ رموز لهذا المتغير في شيفرة التعليمات المصرَّفة، وبالتالي لن يرى الرابط هذا الرمز أبدًا عندما يربط ملفات التعليمات المُصرَّفة مع بعضها البعض، أي لا يمكنه القول بأنه رأى هذا الرمز سابقًا. يُعَد استخدام الكلمة static مفيدًا للفصل بين الرموز وتقليل التعارضات بينها، إذ يمكنك إعادة استخدام اسم المتغير المُصرَّح عنه بأنه static في ملفات أخرى دون وجود تعارضات بين الرموز. يمكن القول بأننا نقيّد رؤية الرمز، لأننا لا نسمح للرابط برؤيته بعكس الرمز الذي لم يُصرَّح عنه بأنه static ويمكن للرابط رؤيته. عملية الربط تتكون عملية الربط من خطوتين هما: دمج جميع ملفات التعليمات المُصرَّفة في ملف واحد قابل للتنفيذ ثم الانتقال إلى كل ملف لتحليل الرموز. يتطلب ذلك تمريرين، أحدهما لقراءة جميع تعريفات الرموز وتدوين الرموز التي لم تُحلَّل والثاني لإصلاح تلك الرموز التي لم تُحلَّل في المكان الصحيح. يجب أن يكون الملف القابل للتنفيذ النهائي بدون رموز غير مُحلَّلة، إذ سيفشل الرابط مع وجود خطأ بسبب هذه الرموز. نسمي ذلك بالربط الساكن Static Linking، فالربط الديناميكي هو مفهوم مشابه يُطبَّق ضمن الملف القابل للتنفيذ في وقت التشغيل، حيث سنتطرق إليه لاحقًا. تعرّفنا في هذا المقال على الخطوات الثلاث لبناء ملف قابل للتنفيذ هي: التصريف Compiling والتجميع Assembling والربط Linking، وسنطبّق في المقال التالي هذه الخطوات عمليًا لبناء ملف قابل للتنفيذ. ترجمة -وبتصرُّف- للأقسام: Compiled v Interpreted Programs Building an executable Compiling Assembler Linker من فصل The Toolchain من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: دعم عتاد الحاسوب للذاكرة الوهمية Virtual Memory المقال التالي: تطبيق عملي لبناء برنامج تنفيذي من شيفرة مصدرية بلغة سي C مفهوم التصريف Compilation في لغات البرمجة تحسين الشيفرات المكتوبة بلغة Cpp وتشخيصها

يمكن القول بأن الذاكرة الوهمية Virtual Memory هي طريقة لتوسيع الذاكرة RAM من خلال استخدام القرص الصلب بوصفه ذاكرة نظام إضافية ولكنها أبطأ، أي ينتقل النظام إلى القرص الصلب الذي يُستخدَم بوصفه ذاكرةً وهمية بمجرد نفاد الذاكرة في نظامك. يُشار إلى الذاكرة الوهمية عادةً في أنظمة التشغيل الحديثة باسم ذاكرة سواب Swap Space، لأن الأجزاء غير المُستخدَمة من الذاكرة تُبعَد إلى القرص الصلب لتحرير الذاكرة الرئيسية، إذ لا يمكن تنفيذ البرامج إلا من الذاكرة الرئيسية. تُعَد القدرة على إبعاد الذاكرة إلى القرص الصلب أمرًا مهمًا، ولكنها ليست الغرض الأساسي للذاكرة الوهمية، بل لها تأثيرٌ آخر مفيد للغاية سنراه لاحقًا. ما هي الذاكرة الوهمية Virtual Memory؟ تدور الذاكرة الوهمية حول فكرة الاستفادة من فضاء العناوين Address Space، حيث يشير فضاء العناوين الخاص بالمعالج إلى مجال العناوين المُحتمَلة التي يمكن استخدامها عند التحميل والتخزين في الذاكرة. يُعَد فضاء العناوين محدودًا بعرض المسجّلات Registers، لأننا نحتاج لتحميل عنوانٍ إطلاقَ تعليمة تحميل load مع العنوان الذي سيُحمَّل منه العنوان المُخزَّن في المسجّل، إذ يمكن مثلًا أن تحتوي المسجلات التي يبلغ عرضها 32 بتًا على عناوين في مجال المسجل من 0x00000000 إلى 0xFFFFFFF. يساوي 2‎32‎ ما مقداره 4 جيجابايت، لذلك يمكن للمعالج ذي 32 بت تحميلُ أو تخزين ما يصل إلى 4 جيجابايتات من الذاكرة. المعالجات ذات 64 بتا جميع المعالجات الجديدة هي معالجات 64 بتًا التي -كما يوحي اسمها- تحتوي على مسجّلات بعرض 64 بتًا، حيث يكون فضاء العناوين المتاح لهذه المعالجات كبيرًا. تحتوي المعالجات ذات 64 بت على بعض المقايضات مقابل استخدام معالجات ذات عرض بتات أصغر، حيث يتطلب كل برنامجٍ مُصرَّفٍ Compiled في وضع 64 بتًا مؤشرات حجمها 8 بايتات، والتي يمكن أن تزيد من حجم الشيفرة البرمجية والبيانات، وبالتالي تؤثر على أداء كل من الذاكرة المخبئة الخاصة بالتعليمة والبيانات، ولكن تميل معالجات 64 بت إلى الحصول على عدد أكبر من المسجلات، مما يعني تقليل الحاجة إلى حفظ المتغيرات المؤقتة في الذاكرة عندما يكون المصرّف Compiler واقعًا تحت الضغط القادم من المسجّلات. العناوين المعيارية Canonical Addresses تحتوي معالجات 64 بت على مسجلات بعرض 64 بتًا، ولكن لا تطبّق الأنظمة جميع هذه 64 بتًا للعنونة، إذ لا يُعَد تحميل load أو تخزين store كل 16 إكسابايت من الذاكرة الحقيقية أمرًا ممكنًا. لذا تحدّد معظم المعماريات منطقةً غير قابلة للاستخدام Unimplemented من فضاء العناوين التي يَعُدّها المعالج غير صالحة للاستخدام. تعرِّف كلٌّ من المعماريتين x86-64 وإيتانيوم Itanium البت الصالح الأكثر أهمية في العنوان، ويجب بعد ذلك تمديد إشارته لإنشاء عنوان صالح، والنتيجة هي تقسيم إجمالي فضاء العناوين بفعالية إلى جزأين هما: جزء علوي وجزء سفلي مع وجود عناوين غير صالحة بينهما، وهذا موضح في الشكل الآتي. تُسمَّى العناوين الصالحة عنواين معيارية Canonical Addresses، بينما تُسمَّى العناوين غير الصالحة عناوين غير معيارية Non-canonical. يمكن العثور على قيمة البت الأكثر أهمية للمعالج من خلال الاستعلام عن المعالج نفسه باستخدام تعليمة الحصول على المعلومات. ستكون قيمة البت الأكثر أهمية 48 بالرغم من أن القيمة الدقيقة تعتمد على التقديم Implementation، مما يؤدي إلى توفير 2‎48‎ = 256 تيرابايت TiB من فضاء العناوين القابلة للاستخدام. يُعَد تقليل فضاء العناوين المُحتمَل أنه يمكن تحقيق توفيرٍ كبير مع جميع أجزاء منطق العنونة في المعالج والمكونات ذات الصلة، لأنها تعلم أنها لن تحتاج للتعامل مع عناوين 64 بت كاملة. يحدّد التقديمُ البتات العليا على أنه يجب تمديد إشارتها، مما يؤدي إلى منع أنظمة التشغيل القابلة للنقل التي تستخدم هذه البتات لتخزين أو تحديد المعلومات الإضافية وضمان التوافق عند الرغبة في تقديم مزيدٍ من فضاء العناوين مستقبلًا. دورة علوم الحاسوب دورة تدريبية متكاملة تضعك على بوابة الاحتراف في تعلم أساسيات البرمجة وعلوم الحاسوب اشترك الآن استخدام فضاء العناوين Address space تعمل الذاكرة الافتراضية -كما هو الحال مع معظم مكونات نظام التشغيل- بوصفها تجريدًا بين فضاء العناوين والذاكرة الحقيقية المتوفرة في النظام، أي إذا استخدم برنامجٌ ما عنوانًا، فلن يشير العنوان إلى البتات الموجودة في الموقع الفعلي الحقيقي في الذاكرة، لذا نقول أن جميع العناوين التي يستخدمها البرنامج هي عناوين وهمية. يتعقّب نظام التشغيل العناوين الوهمية وكيفية تخصيصها للعناوين الحقيقية، فإذا طبّق أحد البرامج عملية تحميل أو تخزين من عنوانٍ ما، فسيعمل المعالج ونظام التشغيل مع بعضهما البعض لتحويل هذا العنوان الوهمي إلى العنوان الحقيقي في شرائح ذاكرة النظام. الصفحات Pages يُقسَم إجمالي فضاء العناوين إلى صفحات Pages. يمكن أن تكون الصفحات بأحجام مختلفة، حيث يمكن أن يبلغ حجمها حوالي 4 كيلوبايت KiB، ولكنها ليست قاعدة صارمة ويمكن أن تكون أكبر بكثير ولكنها ليست أصغر من ذلك. تُعَد الصفحة أصغر وحدة ذاكرة يمكن لنظام التشغيل والعتاد التعامل معها. تحتوي كل صفحة على عدد من السمات التي يضبطها نظام التشغيل، وتشمل أذونات القراءة والكتابة والتنفيذ للصفحة الحالية، حيث يمكن لنظام التشغيل مثلًا تمييز صفحات الشيفرة البرمجية لعمليةٍ ما باستخدام راية قابلة للتنفيذ ويمكن للمعالج اختيار عدم تنفيذ أيّ شيفرة برمجية من الصفحات بدون ضبط هذه البتات. يمكن أن يفكر المبرمجون في هذه المرحلة في أنه يمكنهم بسهولة تخصيص كميات صغيرة من الذاكرة -أي أصغر بكثير من 4 كيلوبايتات- باستخدام الاستدعاء malloc أو استدعاءات مماثلة. تدعم عمليات تخصيص حجم الصفحة كومةَ Heap الذاكرة، حيث يقسمها تقديم الاستدعاء malloc ويديرها بطريقة فعّالة. الذاكرة الحقيقية Physical Memory يقسم نظام التشغيل فضاء العناوين المُحتمَلة إلى صفحات Pages، ويقسم الذاكرة الحقيقية المتاحة إلى إطارات Frames، حيث يُعَد الإطار الاسم التقليدي لقطعة كبيرة من الذاكرة الحقيقية لها حجم صفحة النظام نفسها. يحتفظ نظام التشغيل بجدول الإطارات Frame-table الذي يُعَد قائمةً بجميع الصفحات المُحتمَلة للذاكرة الحقيقية ويحدد ما إذا كانت حرةً أو متاحة للتخصيص أم لا. إذا خُصِّصت الذاكرة لعمليةٍ ما، فستُميَّز على أنها مُستخدَمة في جدول الإطارات، وبذلك يتعقّب نظام التشغيل جميع عمليات تخصيص الذاكرة. يعرف نظام التشغيل الذاكرة المتوفرة من خلال تمرير المعلومات الخاصة بمكان وجود الذاكرة ومقدارها وسماتها وغير ذلك إلى نظام التشغيل باستخدام نظام BIOS أثناء عملية التهيئة Initialisation. جداول الصفحات تتمثل مهمة نظام التشغيل في تعقّب نقاط الصفحة الوهمية المقابلة للإطار الحقيقي، حيث يجري الاحتفاظ بهذه المعلومات في جدول صفحات. يمكن أن يكون جدول الصفحات في أبسط أشكاله جدولًا يحتوي كل صف فيه على الإطار المرتبط به، وهذا ما يسمى بجدول الصفحات الخطي Linear Page-table. وإن استخدمتَ هذا النظام البسيط مع فضاء عناوين بحجم 32 بتًا وصفحات بحجم 4 كيلوبايت، فسيكون هناك 1048576 صفحة يمكن تعقّبها في جدول الصفحات (أي 2‎32 ÷ 4096)، وبالتالي سيكون طول الجدول 1048576 مدخلةً لضمان أنه يمكننا دائمًا ربط صفحة وهمية مع صفحة حقيقية. يمكن أن تحتوي جداول الصفحات على العديد من البنى المختلفة ويمكن تحسينها بدرجة كبيرة، إذ يمكن أن تستغرق عملية البحث عن صفحة في جدول الصفحات وقتًا طويلًا. سنتطرق إلى جدول الصفحات بمزيد من التفصيل لاحقًا. يخضع جدول صفحات العملية لتحكم نظام التشغيل الحصري، فإذا طلبت إحدى العمليات ذاكرةً، فسيجد نظام التشغيل صفحة خالية من الذاكرة الحقيقية ويسجّل ترجمة الصفحة الوهمية إلى الصفحة الحقيقية Virtual-to-physical في جدول صفحات العمليات. بينما إن تخلت العملية عن الذاكرة، فسيُزال سجل ترجمة الصفحة الوهمية إلى الصفحة الحقيقية ويصبح الإطار الأساسي حرًا لتخصيصه لعملية أخرى. العناوين الوهمية Virtual Address لا يعرف أو يهتم البرنامج عند وصوله إلى الذاكرة بمكان تخزين الذاكرة الحقيقية التي تدعم العنوان، ولكنه يعرف أن الأمر متروك لنظام التشغيل والعتاد، بحيث يتعاونان للربط مع العنوان الحقيقي الصحيح وبالتالي توفير الوصول إلى البيانات التي يريدها. لذا نطلق على العنوان الذي يستخدمه البرنامج للوصول إلى الذاكرة عنوانًا وهميًا Virtual Address الذي يتكون من جزأين هما: الصفحة Page والإزاحة Offset في هذه الصفحة. الصفحة يُقسَم فضاء العناوين المُحتمَل إلى صفحات ذات حجم ثابت، حيث يتواجد كل عنوان ضمن صفحة، ويعمل مكون الصفحة الخاص بالعنوان الوهمي بوصفه فهرسًا إلى جدول الصفحات. تُعَد الصفحة أصغر وحدة لتخصيص الذاكرة في النظام، لذلك هناك مقايضة بين جعل الصفحات صغيرة جدًا مع وجود عدد كبير جدًا منها ليديرها نظام التشغيل وبين جعل الصفحات أكبر مع وجود احتمال في هدر الذاكرة. الإزاحة Offset تُسمَّى البتات الأخيرة من العنوان الوهمي بالإزاحة Offset التي تعبّر عن الفرق في الموقع بين عنوان البايت الذي تريده وبداية الصفحة، إذ يجب وجود بتات كافية في الإزاحة لتتمكن من الوصول إلى أيّ بايت في الصفحة، حيث تحتاج بالنسبة لصفحة بحجم 4 كيلوبايتات إلى 12 بتًا للإزاحة حيث 4K = 4 * 1024 = 4096 = 2‎12‎. تذكر أن أقل قدر من الذاكرة يتعامل معه نظام التشغيل أو العتاد يساوي صفحة، لذا يوجد كل بتٍ من 4096 بايتًا ضمن صفحة واحدة ويجري التعامل معها على أنها كتلة واحدة. ترجمة العنوان الوهمي Virtual Address تشير ترجمة العناوين الوهمية إلى عملية اكتشاف الصفحة الحقيقية المربوطة مع الصفحة الوهمية. سنتعامل فقط مع رقم الصفحة عند ترجمة عنوان وهمي إلى عنوان حقيقي، حيث نأخذ رقم الصفحة من العنوان المُعطَى ونبحث عنه في جدول الصفحات للعثور على مؤشر إلى عنوان حقيقي مع إضافة الإزاحة من العنوان الوهمي إليه، مما يؤدي إلى إعطاء الموقع الفعلي في نظام الذاكرة. تخضع جداول الصفحات لسيطرة نظام التشغيل، فإن لم يكن العنوان الوهمي موجودًا في جدول الصفحات، فسيعرف نظام التشغيل أن العملية تحاول الوصول إلى الذاكرة التي ليست مخصَّصةً لها ولن يُسمَح لها بالوصول. ترجمة العنوان الوهمي يوضّح المثال السابق جدول صفحات خطي بسيط، حيث سيتطلب فضاء العناوين ذو 32 بتًا جدولًا مؤلفًا من 1048576 مدخلةً عند استخدام صفحات بحجم 4 كيلوبايتات، وبالتالي ستكون الخطوة الأولى لربط العنوان 0x80001234 هي إزالة بتات الإزاحة. نعلم في هذه الحالة أن لدينا 12 بتًا (2‎12‎ = 4096) من الإزاحة مع صفحات بحجم 4 كيلوبايتات. لذا سنزيح 12 بتًا من العنوان الوهمي إزاحةً يمنى، وبالتالي يبقى لدينا 0x80001، وستكون القيمة العشرية الموجودة في السطر رقم 524289 من جدول الصفحات الخطي هي الإطار الحقيقي المقابل لهذه الصفحة. يمكن أن ترى مشكلة في جدول الصفحات الخطي، حيث يجب حساب كل صفحة سواء كانت قيد الاستخدام أم لا، وبالتالي لا يُعَد جدول الصفحات الخطي الحقيقي عمليًا تمامًا مع فضاء عناوين 64 بت. ضع في حساباتك فضاء عناوين 64 بت المقسَّم إلى صفحات مؤلفة من 64 كيلوبايت (كبيرة جدًا)، حيث ينشئ هذا الفضاء 2‎64/2‎16=2‎52‎ صفحة لإدارتها. لنفترض أن كل صفحة تتطلب مؤشرًا بحجم 8 بايتات لموقع حقيقي، فسيتطلب ذلك 2‎52*2‎3=2‎55‎ أو 512 جيجابايت GiB من الذاكرة المتجاورة لجدول الصفحات فقط. مفاهيم متعلقة بالعناوين الوهمية والصفحات وجداول الصفحات تُعَد العناوين الوهمية والصفحات وجداول الصفحات أساس كل نظام تشغيل حديث، لأنها تشكّل أساس معظم الأشياء التي نستخدم أنظمتنا من أجلها. فضاءات العناوين المفردة يمكن لكل عملية التظاهر بأنها تستطيع الوصول إلى فضاء العناوين الكامل المتاح من المعالج من خلال إعطاء كل عملية جدول صفحات خاص بها، إذ يمكن أن تستخدم عمليتان العنوان نفسه، حيث ستربط جداولُ الصفحات المختلفة العمليةَ مع إطار مختلف من الذاكرة الحقيقية، إذ توفّر أنظمة التشغيل الحديثة لكل عمليةٍ فضاءَ عناوين خاص بها. تصبح الذاكرة الحقيقية مجزأة Fragmented بمرور الوقت، مما يعني أن هناك ثقوب في الفضاء الحر من الذاكرة الحقيقية. سيكون الاضطرار إلى حل مشكلة هذه الثقوب أمرًا مزعجًا في أحسن الأحوال ولكنه سيصبح أمرًا خطيرًا للمبرمجين، فإذا نفّذتَ الاستدعاء malloc لتخصيص 8 كيلوبايتات من الذاكرة مثلًا، فسيتطلب ذلك دعم إطارين بحجم 4 كيلوبايتات، وبالتالي لن تكون هذه الإطارات متجاورة، أي بجوار بعضها البعض فعليًا. لا يُعَد استخدام العناوين الوهمية أمرًا مهمًا بقدر ما يتعلق الأمر باحتواء العملية على 8 كيلوبايت من الذاكرة المتجاورة، حتى لو كانت هذه الصفحات مدعومة بإطارات متباعدة جدًا. يمكن للمبرمج ترك مهمة حل مشكلة التجزئة لنظام التشغيل من خلال إسناد فضاء عناوين وهمية لكل عملية. الحماية يُدعَى الوضع الوهمي للمعالج 386 بالوضع المحمي Protected Mode، وينشأ هذا الاسم من الحماية التي يمكن أن توفرها الذاكرة الوهمية للعمليات التي تعمل عليها. تتمتع كل عملية في نظام بدون ذاكرة وهمية بوصولٍ كامل إلى ذاكرة النظام بأكملها، وهذا يعني أنه لا يوجد شيء يمنع عمليةً ما من الكتابة فوق ذاكرة عمليات أخرى، مما يؤدي إلى تعطّلها أو إعادة قيم غير صحيحة في أسوأ الأحوال خاصة إذا كان هذا البرنامج يدير حسابك المصرفي مثلًا. لذا يجب توفير هذا المستوى من الحماية لأن نظام التشغيل يُعَد طبقة تجريد بين العملية والوصول إلى الذاكرة، فإذا أعطت العملية عنوانًا وهميًا لا يغطيه جدول الصفحات الخاص بها، فسيعلم نظام التشغيل أن هذه العملية تطبّق شيئًا خاطئًا ويمكنه إبلاغ العملية أنها تعدّت حدودها. تمتلك كل صفحة سمات إضافية، لذا يمكن ضبط الصفحة للقراءة فقط أو للكتابة فقط أو غيرها من الخاصيات الأخرى. إذا حاولت العملية الوصول إلى الصفحة، فيمكن لنظام التشغيل التحقق مما إذا كان لديها أذونات كافية وإيقافها إن لم تكن كذلك مثل محاولة الكتابة في صفحة للقراءة فقط. تُعَد الأنظمة التي تستخدم الذاكرة الوهمية أكثر استقرارًا لأنه يمكن للعملية في نظام تشغيل مثالي أن تعطّل نفسها فقط دون تعطيل النظام بأكمله، حيث تُبرمَج أنظمة تشغيل مع تجاهل الأخطاء التي يمكن أن تتسبّب في تعطل الأنظمة بأكملها. التبديل Swap يمكننا الآن أن نرى كيفية تقديم تبديل ذاكرة، حيث يمكن تغيير مؤشر الصفحة ليؤشّر إلى موقع على القرص الصلب بدلًا من التأشير إلى منطقة من ذاكرة النظام. يحتاج نظام التشغيل عند الرجوع إلى هذه الصفحة إلى نقلها من القرص الصلب إلى ذاكرة النظام، إذ لا يمكن تنفيذ شيفرة البرنامج إلا من ذاكرة النظام. إذا كانت ذاكرة النظام ممتلئة، فيجب إخراج صفحة أخرى من ذاكرة النظام وتبديلها بالقرص الصلب قبل وضع الصفحة المطلوبة في الذاكرة. إذا كانت هناك عملية أخرى تريد الصفحة التي أُخرِجت للتو، فستتكرر هذه العملية مرةً أخرى. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مشكلةٍ كبيرة في تبديل الذاكرة، حيث يُعَد التحميل من القرص الصلب بطيئًا جدًا بالموازنة مع العمليات التي تُنجَز في الذاكرة، وسيكون معظم الناس متآلفين مع فكرة الجلوس أمام الحاسوب أثناء توقف القرص الصلب مرارًا وتكرارًا مع بقاء النظام غير مستجيب. mmap تُعَد عملية ربط الذاكرة Memory Map أو mmap (من اسم استدعاء النظام) عمليةً مختلفة ولكنها ذات صلة، حيث إن لم يؤشّر جدول الصفحات إلى الذاكرة الحقيقية أو لم يؤشّر تبديل جدول الصفحات إلى ملف على القرص الصلب، فسنقول أن الملف مربوط بالذاكرة mmap. تحتاج عادةً إلى فتح open ملف على القرص الصلب للحصول على واصف الملف ثم قراءته read وكتابته write في صيغة تسلسلية. إذا كان الملف مربوطًا بالذاكرة، فيمكن الوصول إليه مثل الذاكرة RAM الخاصة بالنظام. مشاركة الذاكرة تحصل كل عملية على جدول صفحات خاص بها، لذلك يُربَط أيّ عنوان تستخدمه مع إطار فريد في الذاكرة الحقيقية، ولكن إن أشّر نظام التشغيل إلى مدخلتَين من جدول الصفحات إلى الإطار نفسه، فهذا يعني التشارك في هذا الإطار، وستكون أيّ تغييرات تجريها إحدى العمليتين مرئية للعملية الأخرى. يمكنك أن ترى الآن كيفية تقديم الخيوط Threads. يمكن للدالة clone()‎ الخاصة بنظام لينكس مشاركة قدر كبير أو صغير من العملية الجديدة مع العملية القديمة وفق ما هو مطلوب. إن استدعت عمليةٌ الدالة clone()‎ لإنشاء عملية جديدة، ولكنها تطلب أن تشترك العمليتان في جدول الصفحات نفسه، فسيكون لديك خيط حيث ترى كلتا العمليتين الذاكرة الحقيقية الأساسية نفسها. كما يمكنك معرفة كيفية إجراء النسخ عند الكتابة، حيث إذا ضبطتَ أذونات إحدى الصفحات لتكون للقراءة فقط، فسيجري إعلام نظام التشغيل عندما تحاول إحدى العملياتُ الكتابةَ في الصفحة. إذا عَلِم نظام التشغيل أن هذه الصفحة هي صفحة نسخ عند الكتابة، فيجب إنشاء نسخة جديدة من الصفحة في ذاكرة النظام ويجب أن توشّر الصفحة في جدول الصفحات إلى هذه الصفحة الجديدة. يمكن بعد ذلك تحديث سمات الصفحة للحصول على أذونات الكتابة ويكون للعملية نسختها الفريدة من الصفحة. ذاكرة القرص الصلب المخبئة Cache توجد في الأنظمة الحديثة ذاكرة متوفرة أكثر مما يستخدمه النظام حاليًا بدلًا من وجود ذاكرة قليلة جدًا والاضطرار إلى تبديل الذاكرة. يخبرنا تسلسل الذواكر الهرمي بأن الوصول إلى القرص الصلب أبطأ بكثير من الوصول إلى الذاكرة، لذلك يُفضَّل نقل أكبر قدر ممكن من البيانات من القرص الصلب إلى ذاكرة النظام إن أمكن ذلك. ينسخ نظام لينكس والعديد من الأنظمة الأخرى البيانات من الملفات الموجودة على القرص الصلب إلى الذاكرة عند استخدامها. يُحتمَل أن يرغب البرنامج في الوصول إلى بقية الملف مع استمراره في المعالجة حتى إن طلب في البداية جزءًا صغيرًا فقط من الملف، ويتحقق نظام التشغيل عند قراءة ملف أو الكتابة فيه أولًا مما إذا كان الملف موجودًا في الذاكرة المخبئة Cache. يجب أن تكون هذه الصفحات هي أولى الصفحات التي ستُزال عند زيادة ضغط الذاكرة في النظام. ذاكرة الصفحة المخبئة Page Cache المصطلح الذي يمكن أن تسمعه عند مناقشة النواة Kernel هو ذاكرة الصفحة المخبئية Page Cache التي تشير إلى قائمة الصفحات التي تحتفظ بها النواة والتي تشير إلى الملفات الموجودة على القرص الصلب، حيث تندرج صفحة التبديل والصفحات المربوطة بالذاكرة وصفحات ذاكرة القرص الصلب المخبئية ضمن هذه الفئة. تحتفظ النواة بهذه القائمة لأنها تحتاج إلى أن تكون قادرة على البحث عنها بسرعة استجابةً لطلبات القراءة والكتابة. مواصفات الذاكرة الوهمية في لينكس تبقى مفاهيم الذاكرة الوهمية الأساسية ثابتة، إلّا أن تفاصيل التقديمات تعتمد بصورة كبيرة على نظام التشغيل والعتاد. مخطط فضاء العناوين يقسم لينكس فضاء العناوين المتاح إلى مكون نواة Kernel مشترك وفضاء عناوين خاص بالمستخدم، وهذا يعني أن العناوين الموجودة في منفذ النواة لفضاء العناوين ترتبط مع الذاكرة الحقيقية نفسها لكل عملية، بينما يكون فضاء عناوين المستخدم خاصًا بالعملية، ويوجد في نظام لينكس فضاء النواة المشترك في أعلى فضاء العناوين المتاح. يحدث هذا الانقسام على المعالج x86 الأكثر شيوعًا المكون من 32 بت عند حجم 3 جيجابايتات، وبما أن 32 بت يمكنها ربط 4 جيجابايتات كحد أقصى، مما يؤدي إلى ترك المنطقة العليا بمقدار 1 جيجابايت لتكون منطقة النواة المشتركة. مع ذلك، تريد العديد من الأجهزة دعم أكثر من 4 جيجابايتات لكل عملية، حيث يسمح دعم الذاكرة العالي للمعالجات بالوصول إلى 4 جيجابايتات كاملة باستخدام توسّعات خاصة. مخطط فضاء العناوين في لينكس جدول الصفحات المكون من المستويات الثلاثة هناك العديد من الطرق المختلفة لنظام التشغيل لتنظيم جداول الصفحات، ولكن يختار نظام لينكس استخدام النظام الهرمي. تستخدم جداول الصفحات تسلسلًا هرميًا بعمق ثلاثة مستويات، لذلك يُشار إلى نظام لينكس باسم جدول الصفحات المكوَّن من ثلاثة مستويات. أثبت جدول الصفحات المكون من ثلاثة مستويات أنه اختيار قوي بالرغم من أنه لا يخلو من بعض المساوئ. تختلف تفاصيل تقديم الذاكرة الوهمية بين المعالجات، مما يعني أن جدول الصفحات العام الذي يختاره نظام لينكس يجب أن يكون قابلًا للنقل وعامًا نسبيًا. لا يُعَد مفهوم مستويات جدول الصفحات الثلاثة أمرًا صعبًا، لأننا نعلم أن العنوان الوهمي يتكون من رقم صفحة وإزاحة في صفحة الذاكرة الحقيقية، إذ يُقسَم العنوان الوهمي إلى مستويات مُرقَّمة في جدول الصفحات المكون من ثلاثة مستويات. يُعَد كل مستوًى جدولَ صفحات بحد ذاته، أي أنه يرتبط مع رقم الصفحة الحقيقية. ترتبط مدخلة المستوى 1 مباشرةً مع الإطار الحقيقي في جدول صفحات مؤلفٍ من مستوًى واحد، بينما يعطي كل مستوًى من المستويات العليا عنوان إطار الذاكرة الحقيقية الذي يحتفظ بجدول صفحات المستويات الدنيا التالي في الإصدار متعدد المستويات من جدول الصفحات. جدول صفحات لينكس المكون من ثلاثة مستويات يتضمن المثال السابق الانتقال إلى جدول الصفحات ذي المستوى الأعلى، والعثور على الإطار الحقيقي الذي يحتوي على عنوان المستوى التالي، وقراءة مستويات ذلك الجدول وإيجاد الإطار الحقيقي الذي يوجد فيه جدول صفحات المستويات التالية من جدول الصفحات وما إلى ذلك. يبدو أن هذا النموذج معقدًا في البداية، ولكن السبب الرئيسي لتنفيذ هذا النموذج هو متطلبات الحجم. تخيل مثلًا عملية ما لها صفحة واحدة مرتبطة بالقرب من نهاية فضاء العناوين الوهمية، حيث قلنا سابقًا أنه يمكن العثور على مدخلة جدول الصفحات بوصفها إزاحةً من مسجل جدول الصفحات الأساسي، لذلك يجب أن يكون جدول الصفحات مصفوفةً متجاورةً في الذاكرة، وبالتالي تتطلب الصفحة القريبة من نهاية فضاء العناوين المصفوفةَ بأكملها والتي يمكن أن تشغَل مساحةً كبيرة، أي العديد والعديد من صفحات الذاكرة الحقيقية. يكون المستوى الأول في نظام مؤلفٍ من ثلاثة مستويات هو إطار ذاكرة حقيقي واحد فقط، ويرتبط مع المستوى الثاني الذي هو إطار ذاكرة واحد، والذي بدوره يرتبط مع المستوى الثالث، وبالتالي يقلّل نظام المستويات الثلاثة من عدد الصفحات المطلوبة إلى جزء صغير فقط من الصفحات المطلوبة لنظام المستوى الواحد. هناك عيوب واضحة في هذا النظام، إذ يتطلب البحث عن عنوان واحد مزيدًا من المراجع، ويمكن أن يكون ذلك مكلفًا. يتفهم لينكس أن هذا النظام يمكن ألّا يكون مناسبًا للعديد من أنواع المعالجات المختلفة، لذلك يمكن أن تقلل بعض المعماريات من مستويات جدول الصفحات بسهولة مثل المعمارية x86 الأكثر شيوعًا التي تستخدم نظامًا مؤلفًا من مستويين فقط في التقديم الخاص بها. ترجمة -وبتصرُّف- لأقسام من فصل Virtual Memory من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحاسوب الحديثة المقال التالي: دعم عتاد الحاسوب للذاكرة الوهمية Virtual Memory الذاكرة الوهمية (Virtual memory) في نظام التشغيل إعداد الذّاكرة الوهميّة (ملفّات التبادل) على خادوم خاص وهميّ (VPS) أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب تعرف على وحدة المعالجة المركزية وعملياتها في معمارية الحاسوب

سنتعرّف في هذا المقال على ثلاثة من أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحواسيب الحديثة وهي الجدولة Scheduling والصدَفة Shell والإشارات Signals. الجدولة Scheduling يحتوي النظام المُشغَّل على مئات أو حتى أُلوف العمليات، ويُطلَق على جزء النواة Kernel الذي يتعقّب جميع هذه العمليات اسم المجدوِل Scheduler لأنه يجدول أيّ عملية يجب تشغيلها لاحقًا. تُعَدّ خوارزميات الجدولة كثيرةً ومتنوعةً، إذ يكون لمعظم المستخدِمين أهداف مختلفة تتعلق بما يريدون تنفيذه من حواسيبهم، وهذا يؤثّر على قرارات الجدولة، فأنت تريد مثلًا التأكد من منح التطبيقات الرسومية في حاسوبك المكتبي متسعًا من الوقت للتشغيل حتى إذا استغرقت عمليات النظام وقتًا أطول قليلًا، مما سيؤدي إلى زيادة الاستجابة التي يشعر بها المستخدِم، وبالتالي سيكون لأفعالهم استجابات فورية، في حين يمكن أن ترغب في إعطاء الأولوية لتطبيق خادم الويب إذا عملتَ على خادم. ينشئ الناس دائمًا خوارزميات جديدةً، كما يمكنك إنشاء خوارزمياتك الخاصة بسهولة إلى حد ما، ولكن هناك عدد من المكونات المختلفة للجدولة. الجدولة ذات الأولوية Preemptive والجدولة التعاونية Co-operative يمكن أن تنقسم استراتيجيات الجدولة إلى فئتين: الجدولة التعاونية Co-operative Scheduling: هي المكان الذي تتخلى فيه العملية المُشغَّلة حاليًا طواعيةً عن التنفيذ للسماح بتشغيل عملية أخرى، والعيب في هذه الاستراتيجية هو أنّ العملية يمكنها اتخاذ قرار بعدم التخلي عن التنفيذ بسبب خطأ تسبَّب في شكل من أشكال الحلقة اللانهائية مثلًا، وبالتالي لا يمكن تشغيل أيّ شيء آخر. الجدولة الاستباقية Preemptive Scheduling: هي المكان الذي تُقاطَع فيه العملية لإيقافها للسماح بتشغيل عملية أخرى، إذ تحصل كل عملية على شريحة زمنية Time-slice لتعمل فيها، كما سيُعاد ضبط عدّاد الوقت عند كل عملية تبديل سياق Context Switching وستُشغَّل العملية ثم تُقاطَع عند انتهاء الشريحة الزمنية، فتبديل السياق Context Switching هو العملية التي تطبّقها النواة للتبديل من عملية إلى أخرى، في حين يتعامل العتاد مع المقاطعة على أنها مستقلة عن العملية المُشغَّلة، وبالتالي سيعود التحكم إلى نظام التشغيل عند حدوث المقاطعة، كما يمكن أن يقرِّر المجدوِل العملية التالية التي ستُشغَّل، وهذا هو نوع الجدولة الذي تستخدمه جميع أنظمة التشغيل الحديثة. الوقت الفعلي Realtime تحتاج بعض العمليات إلى معرفة المدة التي ستستغرقها شريحتها الزمنية والمدة التي المُستغرَقة قبل أن تحصل على شريحة زمنية أخرى لتعمل، ولنفترض أنه لديك نظامًا يشغّل جهاز القلب والرئتين، إذ لا تريد أن تتأخر النبضة التالية لأنّ شيئًا آخر قرّر العمل في النظام. تقدّم أنظمة الوقت الفعلي الصارمة Hard Realtime ضمانات حول جدولة القرارات مثل الحد الأقصى لمقدار الوقت الذي ستُقاطَع فيه العملية قبل تشغيلها مرةً أخرى، إذ تُستخدَم غالبًا في التطبيقات الحرجة مثل التطبيقات الطبية والعسكرية وتطبيقات الطائرات، في حين لا تكون الضمانات في أنظمة الوقت الفعلي غير الصارمة Soft Realtime صارمةً ولكن يمكن التنبؤ بسلوك النظام العام. يمكن استخدام نظام لينكس على أساس نظام وقت فعلي غير صارم، إذ يُستخدَم في الأنظمة التي تتعامل مع الصوت والفيديو، وإذا أردتَ تسجيل بث صوتي، فلا بد أنك لا تريد مقاطعتك لفترات طويلة من الوقت لأنك ستفقد البيانات الصوتية التي لا يمكن استرجاعها. القيمة اللطيفة تسنِد أنظمة يونيكس لكل عملية قيمةً لطيفة Nice Value، إذ ينظر المجدوِل إلى هذه القيمة ويمكن أن يعطي الأولوية لتلك العمليات التي تتمتع بأعلى قيمة لطيفة. مجدول لينكس خضع مجدول لينكس ولا يزال يخضع للعديد من التغييرات، إذ يحاول المطورون الجدد تحسين سلوكه، ويُعرَف المجدول الحالي باسم المجدول O(1)‎ الذي يشير إلى الخاصية التي تمثل أنّ المجدول سيختار العملية التالية لتشغيلها في فترة زمنية ثابتة بغض النظر عن عدد العمليات التي يجب عليه الاختيار من بينها. تُعَدّ صيغة Big-O طريقةً لوصف الوقت الذي تستغرقه الخوارزمية للتشغيل بالنظر إلى الدخل المتزايد، فإذا استغرقت الخوارزمية ضعف الوقت للتشغيل مع ضعف الدخل، فهذا يؤدي إلى التزايد خطيًا، وإذا استغرقت خوارزمية أخرى أربعة أضعاف الوقت للتشغيل مع ضعف الدخل، فهذا يؤدي إلى تزايد أسي؛ أما إذا استغرق الأمر الوقت نفسه مهما كان مقدار الدخل، فستُشغَّل الخوارزمية في وقت ثابت، ويمكنك رؤية أنه كلما كانت الخوارزمية تنمو بصورة أبطأ مع مزيد من الدخل، كان ذلك أفضل. استخدمت مجدولات لينكس السابقة مفهوم الجودة Goodness لتحديد العملية التالية لتشغيلها، إذ يُحتفَظ بجميع المهام المُحتمَلة في رتل تشغيل Run Queue، وهو قائمة مترابطة من العمليات التي تعرِف النواة أنها في حالة قابلية للتشغيل، أي لا تنتظر نشاطًا من القرص الصلب أو ليست في حالة سكون. تبرز مشكلة أنه يجب حساب مدى جودة كل عملية قابلة للتشغيل بحيث تفوز العملية التي تتمتع بأعلى جودة لتكون العملية التالية التي يجب تشغيلها، إذ سيستغرق الأمر وقتًا أطول بكثير لمزيد من المهام لتحديد العمليات التالية التي ستشغَّل. المجدول O(1)‎ يستخدِم المجدول O(1)‎ بنية رتل التشغيل الموضح في الشكل السابق، كما يحتوي رتل التشغيل على عدد من الحزم Buckets مرتبةً حسب الأولوية وخارطة نقطية Bitmap تشير إلى الحزم التي تحتوي على عمليات متاحة، إذ يُعَدّ البحث عن العملية التالية لتشغيلها بمثابة قراءة الخارطة النقطية للعثور على حزمة العمليات الأولى، ثم اختيار العملية الأولى من رتل الحزم. يحتفظ المجدول ببنيتَين هما مصفوفة العمليات النشطة Active التي يمكن تشغيلها ومصفوفة العمليات منتهية الصلاحية Expired التي استخدمت شريحتها الزمنية بالكامل، كما يمكن تبديل هاتين البنيتَين ببساطة من خلال تعديل المؤشرات عندما يكون لجميع العمليات بعض الوقت من وحدة المعالجة المركزية. لكن الجزء المهم هو كيفية تحديد المكان الذي يجب أن تذهب إليه العملية في رتل التشغيل، فمن الأشياء التي يجب أخذها في الحسبان هو المستوى اللطيف Nice Level، وتقارب المعالج Processor Affinity أو الحفاظ على العمليات مرتبطة بالمعالج الذي تُشغَّل عليه لأن نقل العملية إلى وحدة معالجة مركزية أخرى في نظام SMP يمكن أن يكون عمليةً مكلفةً، بالإضافة إلى دعم أفضل لتحديد البرامج التفاعلية مثل تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية التي يمكن أن تقضي الكثير من الوقت في حالة سكون في انتظار الدخل من المستخدِم، ولكن يريد المستخدِم استجابةً سريعةً عندما يتفاعل معها. الصدفة Shell تُعَدّ الصدَفة في نظام يونيكس الواجهة المعيارية لمعالجة العمليات على نظامك، ولكن تحتوي أنظمة لينكس الحديثة على واجهة مستخدِم رسومية وتوفّر صدفةً عبر تطبيق طرفية Terminal أو ما شابه ذلك، كما تتمثل مهمة الصدَفة الأساسية في مساعدة المستخدِم على التعامل مع بدء العمليات المُشغَّلة في النظام وإيقافها والتحكم فيها. إذا كتبتَ أمرًا في موجّه أوامر الصدفة، فسيؤدي ذلك إلى تطبيق الاستدعاء fork على نسخة منه وتطبيق الاستدعاء exec على الأمر الذي حددته، ثم تنتظِر الصدَفة بعد ذلك افتراضيًا حتى ينتهي تشغيل هذه العملية قبل العودة إلى موجّه الأوامر لبدء العملية بأكملها مرةً أخرى. كما تسمح لك الصدَفة بتشغيل وظيفة ما في الخلفية Background من خلال وضع & بعد اسم الأمر للإشارة إلى وجوب تفرع الصدَفة وتنفيذ الأمر دون الانتظار حتى يكتمل الأمر قبل أن تُظهِر لك موجّه الأوامر مرةً أخرى، في حين تعمل العملية الجديدة في الخلفية مع جهوزية الصدَفة في انتظار بدء عملية جديدة إذا رغبت في ذلك، لكن يمكنك إخبار الصدَفة بتنفيذ عملية ما في الأمام Foreground، مما يعني أننا نريد انتظار انتهاء العملية فعلًا. الإشارات Signals تتطلب العمليات المُشغَّلة في النظام طريقةً لإخبارنا بالأحداث التي تؤثر عليها، إذ توجد بنية تحتية في نظام يونيكس بين النواة Kernel والعمليات تسمّى الإشارات Signals التي تسمح للعملية بتلقي إشعار بالأحداث المهمة بالنسبة لها. تستدعي النواة معالِجًا Handler يجب أن تسجّله العملية مع النواة للتعامل مع الإشارة المُرسَلة إلى عملية ما، والمعالج هو دالة مصمّمة في الشيفرة البرمجية التي كُتِبت لمعالجة المقاطعة، كما تُرسَل الإشارة في أغلب الأحيان من النواة نفسها، ولكن يمكن أن ترسِل إحدى العمليات إشارةً إلى عملية أخرى، وهذا يمثِّل أحد أشكال التواصل بين العمليات Interprocess Communication. يُستدعَى معالج الإشارة بصورة غير متزامنة، إذ يُقاطَع البرنامج المشغَّل حاليًا عمّا يفعله لمعالجة حدث الإشارة، كما تُعَدّ المقاطعة أحد أنواع الإشارات التي تُحدَّد في ترويسات النظام بالاسم SIGINT، إذ تُسلَّم إلى العملية عند الضغط على الاختصار ctrl-c. تستخدِم العملية استدعاء نظام read لقراءة الدخل من لوحة المفاتيح، إذ ستراقب النواة مجرى الدخل بحثًا عن محارف خاصة، لكن ستنتقل إلى وضع معالجة الإشارة في حالة ظهور الاختصار ctrl-c، وستبحث النواة لمعرفة ما إذا سجّلت العملية معالجًا لهذه المقاطعة، فإذا كان الأمر كذلك، فسيُمرَّر التنفيذ إلى تلك الدالة التي ستعالج المقاطعة، وإذا لم تسجّل العملية معالجًا لهذه الإشارة، فستتخذ النواة بعض الإجراءات الافتراضية، ويكون الإجراء الافتراضي هو إنهاء العملية باستخدام ctrl-c. يمكن أن تختار العملية تجاهل بعض الإشارات ولكن لا تسمح بتجاهل الإشارات الأخرى، فالإشارة SIGKILL مثلًا هي الإشارة المرسَلة عندما يجب إنهاء العملية، حيث سترى النواة أن العملية أرسلت هذه الإشارة وتنهي تشغيل العملية دون طرح أيّ أسئلة، كما لا يمكن للعملية الطلب من النواة تجاهل هذه الإشارة، إذ تكون النواة حريصةً للغاية بشأن العملية المسموح لها بإرسال هذه الإشارة إلى عملية أخرى، فلا يجوز لك إرسالها إلا إلى العمليات التي تمتلكها إلا إذا كنت المستخدِم الجذر. لا بد أنك رأيت الأمر kill -9 الذي يأتي من تطبيق الإشارة SIGKILL، إذ تُعرَّف الإشارة SIGKILL على أنها 0x9، لذا ستتوقف العملية المحددة مباشرةً عند تحديدها على أساس وسيط لبرنامج kill، ونظرًا لأنه لا يمكن للعملية اختيار تجاهل هذه الإشارة أو معالجتها، فسيُنظَر إلى هذه الإشارة على أنها الملاذ الأخير، إذ لن يكون لدى البرنامج فرصةً للتنظيف أو الإنهاء بصورة نظيفة. يُفضَّل إرسال الإشارة SIGTERM -للإنهاء Terminate- إلى العملية أولًا، فإذا تعطلت أو لم تنتهي، فيمكنك اللجوء إلى الإشارة SIGKILL، كما تثبّت معظم البرامج معالجًا للإشارة SIGHUP، أي تعليق Hangup الطرفيات وأجهزة المودِم التسلسلية، إذ سيعيد هذا المعالج تحميل البرنامج لالتقاط التغييرات في ملف الإعداد أو ما شابه ذلك. إذا سبق لك وبرمجتَ على نظام يونيكس، فستكون على دراية بأخطاء التقطيع segmentation faults عندما تحاول القراءة أو الكتابة في ذاكرة غير مخصَّصة لك، فإذا لاحظت النواة أنك تحاول الوصول إلى ذاكرة ليست مخصَّصة لك، فسترسل لك إشارة خطأ تقطيع segmentation fault signal، ولن تمتلك العملية معالجًا مثبَّتًا لهذه الإشارة، وبالتالي فإنّ الإجراء الافتراضي هو إنهاء البرنامج وتعطيل برنامجك، كما يمكن أن يثبّت البرنامج معالجًا لأخطاء التقطيع في بعض الحالات المحدودة. لكن يمكنك التساؤل عمّا يحدث بعد تلقي الإشارة، إذ سيُعاد التحكم إلى العملية التي تستأنف عملها من حيث توقفت بمجرد انتهاء معالج الإشارة من عمله، ويقدّم البرنامج البسيط التالي تشغيل بعض الإشارات: $ cat signal.c #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> void sigint_handler(int signum) { printf("got SIGINT\n"); } int main(void) { signal(SIGINT, sigint_handler); printf("pid is %d\n", getpid()); while (1) sleep(1); } $ gcc -Wall -o signal signal.c $ ./signal pid is 2859 got SIGINT # press ctrl-c # press ctrl-z [1]+ Stopped ./signal $ kill -SIGINT 2859 $ fg ./signal got SIGINT Quit # press ctrl-\ $ يعرّف البرنامج البسيط السابق معالجًا للإشارة SIGINT التي تُرسَل عندما يضغط المستخدِم على الاختصار ctrl-c، إذ تُعرَّف جميع إشارات النظام في مكتبة signal.h بما في ذلك الدالة signal التي تسمح لنا بتسجيل دالة المعالجة. يبقى البرنامج ضمن حلقة لا تفعل شيئًا حتى يتوقف، وحاول الضغط على الاختصار ctrl-c عند بدء البرنامج لإنهائه، إذ يُستدعَى المعالج ونحصل على الخرج المتوقَّع بدلًا من اتخاذ الإجراء الافتراضي، ثم نضغط بعد ذلك على الاختصار ctrl-z الذي يرسل الإشارة SIGSTOP التي تضع العملية افتراضيًا في وضع السكون، أي أنها لم تُوضَع في رتل تشغيل المجدول وبالتالي تُعَدّ خاملةً في النظام. نستخدم برنامج kill لإرسال الإشارة نفسها من نافذة طرفية أخرى، إذ يمكن تطبيق ذلك فعليًا باستخدام استدعاء النظام kill الذي يأخذ إشارة ومعرّف PID لإرسالها، ويُعَدّ اسم هذه الدالة خاطئًا بعض الشيء، إذ لا تقتل جميعُ الإشارات العمليةَ فعليًا، ولكن تُستخدَم الدالة signal لتسجيل المعالج Handler، كما توضَع الإشارة في رتل خاص بهذه العملية عند توقفها، وبالتالي تأخذ النواة ملاحظةً بالإشارة وتسلّمها في الوقت المناسب. ننبّه العملية بعد ذلك باستخدام الأمر fg الذي يرسل الإشارة SIGCONT إلى العملية، مما يؤدي إلى تنشيط العملية افتراضيًا، كما تدرك النواة وضع العملية في رتل التشغيل وتمنحها وقتًا من وحدة المعالجة المركزية مرةً أخرى، إذ نرى في هذه المرحلة تسليم الإشارة الموجودة في رتل التشغيل. نحاول أخيرًا الضغط على الاختصار ctrl-\‎ الذي يرسل الإشارة SIGQUIT -أي إلغاء- إلى العملية، ويأتي خرج الإلغاء Quit من استخدام مزيد من الإشارات بالرغم من إلغاء العملية، وإذا كان لدى الأب عملية ابن ميتة أو منتهية، فسيحصل على الإشارة SIGCHLD، إذ تُعَدّ الصدَفةُ أنها العملية الأب في هذه الحالة، أي أنها ستحصل على الإشارة. تذكّر أنّ العملية الزومبي Zombie التي يجب حصادها باستخدام الاستدعاء wait للحصول على الشيفرة المُعادة من العملية الابن، ولكن هناك شيء آخر يمنحه الابن للأب وهو رقم الإشارة التي أدّت إلى موت الابن، وهكذا تعرف الصدَفة أنّ العملية الابن قد ماتت أو انتهت بسبب الإشارة SIGABRT وتطبع معلومات أخرى للمستخدِم على أساس خدمة إعلامية، إذ تحدُث العملية نفسها لطباعة خطأ التقطيع Segmentation Fault عندما تموت العملية الابن بسبب الإشارة SIGSEGV. يمكنك رؤية استخدام حوالي خمس إشارات مختلفة للتواصل بين العمليات والنواة والحفاظ على سير الأمور حتى في برنامج بسيط، وهناك العديد من الإشارات الأخرى، لكننا استخدمنا في هذا المثال الإشارات الأكثر شيوعًا، إذ تحتوي معظمها على دوال نظام تعرّفها النواة، ولكن هناك بعض الإشارات المحجوزة للمستخدِمين لاستخدامها لأغراضهم الخاصة في برامجهم SIGUSR. ترجمة -وبتصرُّف- للأقسام Context Switching و Scheduling و The Shell و Signals من الفصل The Process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: تسلسل العمليات الهرمي واستدعاءات النظام Fork و Exec في نظام تشغيل الحاسوب المقال التالي: الذاكرة الوهمية والذاكرة الحقيقية في معمارية الحاسوب معمارية الشبكة الحاسوبية وشبكة الإنترنت (Network Architecture) دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب تعرف على وحدة المعالجة المركزية وعملياتها في معمارية الحاسوب

يمكن لنظام التشغيل تشغيلُ العديد من العمليات في الوقت نفسه، إلّا أنه يبدأ بتشغيل عملية واحدة مباشرةً تُدعَى بالعملية الأولية init -اختصارًا للكلمة Initial- التي لا تُعَدّ عمليةً خاصةً باستثناء أنً معرِّف العملية PID الخاص بها هو 0 دائمًا وستبقى مُشغَّلةً دائمًا. تُعَدّ جميع العمليات الأخرى أبناءً Children لهذه العملية الأولية، فللعمليات شجرة عائلة مثل أيّ شجرة أخرى، إذ يكون لكل عملية أبًا Parent ويمكن أن يكون لها العديد من الأشقاء Siblings التي تُعَدّ عمليات أنشأها الأب نفسه. يُستخدَم المصطلح "تولّد Spawn" عند الحديث عن العمليات الآباء التي تنشئ العمليات الأبناء مثل القول بأن "عملية ولّدت ابنًا"، كما يمكن أن تنشئ العمليات الأبناء مزيدًا من الأبناء وهكذا، وإليك مثال عن تنفيذ الأمر pstree الذي يعرض العمليات المُشغَّلة مثل شجرة: init-+-apmd |-atd |-cron ... |-dhclient |-firefox-bin-+-firefox-bin---2*[firefox-bin] | |-java_vm---java_vm---13*[java_vm] | `-swf_play يمكن إنشاء عمليات جديدة باستخدام واجهتين متعلقتين ببعضهما هما fork و exec. استدعاءات Fork إذا وصلتَ إلى مفترق طرق، فسيكون لديك خياران لتختار من بينهما وسيؤثر هذا القرار على مستقبلك، كما تصل البرامج الحاسوبية إلى مفترق طرق عندما تضغط على استدعاء النظام fork()‎، إذ سيُنشئ نظام التشغيل عمليةً جديدةً مماثلةً للعملية الأب، إذ ستُنسَخ جميع الحالات التي تحدّثنا عنها سابقًا بما في ذلك الملفات المفتوحة وحالة المسجّل وجميع عمليات تخصيص الذاكرة التي تتضمن شيفرة البرنامج. تُعَدّ القيمة المُعادة من استدعاء النظام الطريقةَ الوحيدة التي يمكن للعملية من خلالها تحديد ما إذا كانت العملية موجودةً مسبقًا أم عملية جديدة، إذ ستكون القيمة المُعادة إلى العملية الأب هي معرّف عملية الابن Process ID أو PID اختصارًا، في حين سيحصل الابن على القيمة المُعادة 0، وعندها نقول أن العملية متفرعة forked مع وجود علاقة أب-ابن. استدعاءات Exec يوفّر التفريع Forking طريقةً للعملية الحالية بأن تبدأ عملية جديدة، فإذا لم تكن العملية الجديدة جزءًا من برنامج العملية الأب كما هو الحال في الصدَفة Shell، إذ يجب أن يشغِّل المستخدِم أمرًا في عملية جديدة ليس لها علاقة بالصدَفة، فيجب تشغيل استدعاء النظام exec الذي سيبدّل بمحتويات العملية المُشغَّلة حاليًا معلومات من برنامج ثنائي. العملية التي تتبعها الصدَفة عند إطلاق برنامج جديد هي fork أولًا، مما يؤدي إلى إنشاء عملية جديدة، ثم تنفيذ الاستدعاء exec، أي تحميل البرنامج الثنائي الذي يُفترَض تشغيله في الذاكرة وتنفيذه. كيفية تعامل لينكس مع fork و exec سنشرح كيفية تعامل نظام التشغيل لينكس مع عملية النسخ fork وعملية الاستدعاء exec. النسخ يُنفَّذ الاستدعاء fork باستخدام استدعاء النظام clone في النواة، إذ توفّر واجهات clone بفعالية مستوًى من التجريد لكيفية إنشاء نواة لينكس للعمليات، كما يتيح الاستدعاء clone تحديد أجزاء العملية الجديدة المنسوخة في العملية الجديدة والأجزاء المشتركة بين العمليتين صراحةً، وقد يبدو هذا غريبًا بعض الشيء في البداية، لكنه يسمح لنا بسهولة بتطبيق الخيوط Threads باستخدام واجهة واحدة بسيطة جدًا. الخيوط Threads ينسخ الاستدعاء fork جميع السمات التي ذكرناها سابقًا. تخيّل نسخ كل شيء للعملية الجديدة باستثناء الذاكرة، فهذا يعني اشتراك الأب والابن في الذاكرة نفسها التي تتضمن شيفرة البرنامج والبيانات. يُسمَّى الابن الهجين السابق بالخيط، كما تحتوي الخيوط على عدد من المزايا بالموازنة مع المكان الذي يُستخدَم فيه الاستدعاء fork ومنها ما يلي: لا يمكن للعمليات المنفصلة أن ترى ذاكرة بعضها بعضًا، وإنما يمكنها التواصل مع بعضها بعضًا عبر استدعاءات النظام الأخرى فقط، لكن مع ذلك تشترك الخيوط في الذاكرة نفسها، لذا سيكون لديك ميزة العمليات المتعددة مع الاضطرار إلى استخدام استدعاءات النظام للتواصل فيما بينها، وتكمن مشكلة ذلك في إمكانية تداخل الخيوط بسهولة مع بعضها بعضًا، إذ يمكن أن يزيد أحد الخيوط متغيرًا، في حين يمكن أن ينقصه خيط آخر بدون إعلام الخيط الأول، وتسمى هذه الأنواع من المشاكل بمشاكل التزامن وهي كثيرة ومتنوعة، ولكن يمكن حل هذه المشكلة باستخدام مكتبات مجال المستخدِم التي تساعد المبرمجين على العمل مع الخيوط بصورة صحيحة، وتسمى أكثر الخيوط شيوعًا بخيوط POSIX أو كما يشار إليها pthreads بصورة شائعة. يُعَدّ التبديل بين العمليات مكلفًا جدًا، ومن أكثر الأمور تكلفةً هو تعقّب الذاكرة التي تستخدِمها كل عملية، ويمكن تجنّب ذلك من خلال مشاركة الذاكرة التي تزيد الأداء بصورة ملحوظة. هناك العديد من الطرق المختلفة لتطبيق الخيوط، إذ يمكن أن يطبِّق مجال المستخدِم الخيوط ضمن عملية دون أن تكون لدى النواة أيّ فكرة عن ذلك، إذ تظهر جميع الخيوط للنواة كأنها تعمل في عملية واحدة، ويُعَدّ ذلك دون المستوى الأمثل لأنّ النواة تحجب معلومات عمّا يجري تشغيله في النظام؛ أما مهمة النواة فهي التأكد من استخدام موارد النظام بأفضل طريقة ممكنة، وإذا كان ما تعتقده النواة هو وجود عملية واحدة تشغّل خيوط عمليات متعددة، فيمكن أن تتخذ قرارات دون المستوى الأمثل. الطريقة الأخرى هي أن تكون للنواة معرفة كاملة بالخيط، إذ يمكن إنشاء ذلك في نظام لينكس من خلال جعل جميع العمليات قادرة على مشاركة الموارد عبر استدعاء النظام clone، ولا يزال كل خيط يحتوي على موارد مرتبطة بالنواة، لذلك يمكن أن تأخذها النواة في حساباتها عند إجراء عمليات تخصيص الموارد. تحتوي أنظمة التشغيل الأخرى على طريقة هجينة من الطريقتين السابقتين، إذ يمكن تحديد بعض الخيوط للتشغيل في مجال المستخدِم فقط -أي مخفيّة عن النواة- ويمكن أن يكون البعض الآخر من الخيوط عمليةً خفيفة الوزن، ويُعَدّ ذلك مؤشرًا مشابهًا للنواة على أن العمليات هي جزء من مجموعة خيوط. النسخ عند الكتابة يُعَدّ نسخ ذاكرة عملية كاملة إلى عملية أخرى عند استخدام الاستدعاء fork عمليةً مكلفةً كما ذكرنا سابقًا، ويمكن تحسين ذلك باستخدام ما يُسمَّى بالنسخ عند الكتابة Copy On Write، إذ يمكن مشاركة الذاكرة فعليًا بدلًا من نسخها بين العمليتين عند استدعاء fork، فإذا كانت العمليات ستقرأ الذاكرة فقط، فلن يكون نسخ البيانات ضروريًا، لكن يجب أن تكون النسخة خاصةً وغير مشتركة عندما تكتب عملية ما في ذاكرتها. يعمل النسخ عند الكتابة -كما يوحي اسمه- على تحسين ذلك من خلال النسخ من الذاكرة فقط عندما تُكتَب النسخة فيها، وللنسخ عند الكتابة فائدة كبيرة للاستدعاء exec الذي سيكتب البرنامج الجديد في الذاكرة، لذا سيضيّع نسخ الذاكرة الكثير من الوقت، وبالتالي ستوفّر عملية النسخ عند الكتابة علينا النسخ فعليًا. العملية الأولية Init Process ناقشنا سابقًا الهدف العام للعملية الأولية وسنفهم الآن كيفية عملها، إذ تبدأ النواةُ العمليةَ الأولية init عند بدء التشغيل وتفرّع وتنفّذ هذه العملية بعد ذلك سكربتات بدء تشغيل الأنظمة التي تفرّع وتنفّذ مزيدًا من البرامج، وينتهي بها الأمر في النهاية إلى تفريع عملية تسجيل الدخول. الوظيفة الأخرى للعملية init هي الحصاد Reaping، إذ سترغب العملية الأب في التحقق من الشيفرة المُعادة للتأكد من إنهاء العملية الابن بصورة صحيحة أم لا عندما تستدعي العملية استدعاء الإنهاء exit باستخدام الشيفرة المُعادة، لكن تُعَدّ شيفرة الإنهاء جزءًا من العملية التي استدعت exit، لذا يُقال أنّ هذه العملية ميتة Dead مثل أنها لا تعمل، ولكنها لا تزال بحاجة إلى البقاء حتى جمع الشيفرة المُعادة، وتسمى العملية في هذه الحالة شبه ميتة أو زومبي Zombie. تبقى العملية في حالة زومبي حتى تجمع العملية الأب الشيفرة المُعادة من الاستدعاء wait، ولكن إذا انتهت العملية الأب قبل جمع الشيفرة المُعادة، فستبقى عملية الزومبي موجودةً وتنتظر بلا هدف لإعطاء حالتها لعمليةٍ ما، ثم ستُنسَب العملية الابن التي تكون في حالة زومبي إلى العملية الأولية التي تمتلك معالجًا خاصًا يحصد القيمة المُعادة، وستكون العملية حرةً في النهاية ويمكن إزالة واصفها من جدول عمليات النواة. مثال عملية شبه ميتة إليك مثال عن عملية شبه ميتة أو عملية زومبي كما يقال: $ cat zombie.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(void) { pid_t pid; printf("parent : %d\n", getpid()); pid = fork(); if (pid == 0) { printf("child : %d\n", getpid()); sleep(2); printf("child exit\n"); exit(1); } /* في الأب */ while (1) { sleep(1); } } $ ps ax | grep [z]ombie 16168 pts/9 S 0:00 ./zombie 16169 pts/9 Z 0:00 [zombie] <defunct> أنشأنا في المثال السابق عملية زومبي، إذ ستكون العملية الأب في حالة سكون Sleep إلى الأبد، في حين ستنتهي العملية الابن بعد بضع ثوان، ويمكنك رؤية نتائج تشغيل البرنامج بعد الشيفرة البرمجية. تكون العملية الأب (16168) في الحالة S للإشارة إلى أنها في حالة سكون وتكون العملية الابن في الحالة Z للإشارة إلى أنها في حالة زومبي، في حين يخبرنا خرج الأمر ps أن العملية أصبحت زومبي أو defunct في وصف العملية. ملاحظة: الأقواس المربعة حول الحرف "z" في الكلمة "zombie" هي خدعة صغيرة لتزيل عمليات الأمر grep نفسها من خرج الأمر ps، إذ يفسّر الأمر grep كل شيء بين الأقواس المربعة على أنه صنف محرفي Character Class، أي يبحث عن تطابق واحد فقط بين المحارف الموجودة بين القوسين والنص، ولكن بما أن اسم العملية سيكون "grep [z]ombie" مع الأقواس، فلن يكون هناك تطابق. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين Process Hierarchy و Fork and Exec من الفصل The Process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: العمليات وعناصرها في نظام تشغيل الحاسوب المقال التالي: أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحاسوب الحديثة استدعاءات النظام والصلاحيات في نظام التشغيل دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب العمليات (Processes) في أنظمة التشغيل أنظمة التشغيل للمبرمجين

جميعنا على دراية بنظام التشغيل الحديث الذي يدير العديد من المهام في وقت واحد أو ما يسمى بتعدد المهام Multitasking، حيث تُعَدّ العملية حزمةً من العناصر التي تحتفظ بها النواة لتعقّب جميع المهام التي تكون قيد التشغيل. عناصر العملية معرف العملية يضبط نظام التشغيل معرّف العملية Process ID -أو PID اختصارًا- ويكون فريدًا لكل عملية مُشغَّلة. الذاكرة سنتعلم كيف تحصل عملية ما على ذاكرتها لاحقًا، وتُعَدّ الذاكرة أحد الأجزاء الأساسية لكيفية عمل نظام التشغيل، ولكن سنكتفي حاليًا بمعرفة أنّ كل عملية لها قسمها الخاص من الذاكرة. تُخزَّن شيفرة البرنامج في هذه الذاكرة مع المتغيرات وأيّ عمليات تخزين أخرى مخصَّصة، ويمكن مشاركة أجزاء من الذاكرة بين العمليات، إذ تسمَّى بالذاكرة المشتركة Shared Memory، كما يمكن أن تراها بالاسم System Five Shared Memory -أو SysV SHM اختصارًا- بعد التطبيق الأصلي في نظام تشغيل أقدم. مفهوم مهم آخر يمكن أن تستخدِمه العملية هو مفهوم ربط ملف موجود في القرص الصلب مع الذاكرة أو ما يُسمى mmaping، إذ يبدو الملف كما لو كان أيّ نوع آخر من الذاكرة RAM بدلًا من الاضطرار إلى فتح الملف واستخدام أوامر مثل read()‎ و write()‎، كما تمتلك مناطق mmaped أذونات يجب تعقّبها مثل القراءة والكتابة والتنفيذ، فمهمّة نظام التشغيل هي الحفاظ على الأمن والاستقرار، لذلك يجب التحقق مما إذا كانت العملية تحاول الكتابة في منطقة للقراءة فقط وإعادة خطأ بذلك. الشيفرة والبيانات يمكن تقسيم العملية بصورة أكبر إلى قسمين هما الشيفرة Code والبيانات Data، إذ يجب الاحتفاظ بشيفرة البرنامج وبياناته بصورة منفصلة لأنها تتطلب أذونات مختلفة من نظام التشغيل، ويسهّل هذا المقال بينهما مشاركة الشيفرة كما سنرى لاحقًا، كما يجب أن يعطي نظام التشغيل إذنًا لشيفرة البرنامج للتمكّن من قراءتها وتنفيذها دون الكتابة فيها، في حين تتطلب البيانات (المتغيرات) أذونات القراءة والكتابة ولا ينبغي أن تكون قابلةً للتنفيذ، ولكن لا تدعم جميع المعماريات ذلك، مما أدى إلى مجموعة واسعة من مشاكل الأمان في العديد منها. المكدس Stack يُعَدّ المكدس جزءًا مهمًا آخر من العملية وهو منطقة من الذاكرة وجزء من قسم البيانات في العملية، ويشارك في تنفيذ أيّ برنامج، كما يُعَدّ بنية بيانات عامة تعمل مثل مجموعة الأطباق، إذ يمكنك دفع push عنصر أو وضع طبق أعلى كومة من الأطباق بحيث يصبح العنصر العلوي، أو يمكنك سحب pop عنصر أو سحب طبق وظهور الطبق السابق. المكدسات أساسية لاستدعاءات الدوال، إذ تحصل على إطار مكدس stack frame جديد في كل مرة تُستدعَى فيها الدالة، وهي منطقة من الذاكرة تحتوي على الأقل على العنوان الذي يجب الرجوع إليه عند الانتهاء ووسائط دخل الدالة وفضاء المتغيرات المحلية. تنمو المكدسات عادةً إلى الأسفل، إذ يبدأ المكدس عند عنوان مرتفع في الذاكرة وينخفض تدريجيًا، في حين تحتوي بعض المعماريات مثل PA-RISC من HP على مكدسات تنمو للأعلى، وتوجد في بعض المعماريات الأخرى مثل IA64 مناطق تخزين أخرى (مخزن داعم للمسجّل) تنمو من الأسفل باتجاه المكدس. يعطي وجود مكدس العديد من الميزات للدوال ومنها ما يلي: أولًا، لكل دالة نسختها الخاصة من وسائط الدخل، إذ يُخصَّص إطار مكدس جديد لكل دالة مع وسائطها في منطقة جديدة من الذاكرة، + وبالتالي لا يمكن أن ترى الدوال الأخرى المتغير المُعرَّف في دالة ما، في حين تُخزَّن المتغيرات العامة التي يمكن أن تراها أيّ دالة في منطقة منفصلة من ذاكرة البيانات، مما يسهّل الاستدعاءات العودية Recursive Calls، وهذا يعني أنّ الدالة حرة في استدعاء نفسها مرةً أخرى، إذ سيُنشَأ إطار مكدس جديد لجميع متغيراتها المحلية. ثانيًا، يحتوي كل إطار على عنوان للعودة إليه، وتسمح لغة C فقط بإعادة قيمة واحدة من الدالة، لذلك تُعاد هذه القيمة إلى دالة الاستدعاء في مسجّل محدد بدلًا من المكدس. ثالثًا، يحتوي كل إطار على مرجع للإطار الذي يسبقه، لذا يمكن لمنقّح الأخطاء العودة للخلف متتبّعًا المؤشرات ليصل إلى أعلى المكدس، ويمكن أن ينتج متعقّب مكدسات Stack Trace الذي يُظهِر لك جميع الدوال التي جرى استدعاؤها حتى الوصول إلى هذه الدالة، ويُعَدّ ذلك مفيدًا لتنقيح الأخطاء، كما يمكنك رؤية كيف تتناسب الطريقة التي تعمل بها الدوال مع طبيعة المكدس، إذ يمكن لأيّ دالة استدعاءُ أيّ دالة أخرى، وبالتالي تصبح الدالة الأعلى بحيث تُوضَع في أعلى المكدس، وستعيد هذه الدالة في النهاية النتيجة إلى الدالة التي استدعتها، أي تخرج من المكدس. رابعًا، تجعل المكدسات استدعاء الدوال أبطأ، لأنه يجب نقل القيم خارج المسجلات إلى الذاكرة، في حين تسمح بعض المعماريات الحاسوبية بتمرير الوسائط في المسجلات مباشرةً، ولكن يجب تدوير المسجلات للحفاظ على دلالات حصول كل دالة على نسخة فريدة من كل وسيط. خامسًا، لا بد أنك سمعت بمصطلح طفحان المكدس Stack Overflow الذي يُعَدّ طريقةً شائعةً لاختراق النظام من خلال تمرير قيم وهمية، فإذا كنت مبرمجًا تقبل بالإدخال العشوائي في متغير المكدس مثل القراءة من لوحة المفاتيح أو عبر الشبكة، فيجب عليك تحديد حجم هذه البيانات صراحةً، إذ يؤدي السماح بأيّ كمية من البيانات دون تحديد إلى الكتابة فوق الذاكرة، مما يؤدي إلى حدوث عطل، ولكن أدرك بعض الأشخاص أنهم إذا كتبوا في ذاكرة كافية فقط لوضع قيمة محددة في جزء العنوان المُعاد من إطار المكدس، فيمكنهم إعادتها في البيانات التي أرسلوها للتو عند اكتمال الدالة بدلًا من الإعادة إلى المكان الصحيح الذي استدعاها، فإذا احتوت هذه البيانات على شيفرة ثنائية قابلة للتنفيذ وتخترق النظام مثل تشغيل طرفية للمستخدِم مع صلاحيات الجذر، فهذا يعني تعرّض حاسوبك للاختراق. يحدث ذلك بسبب نمو المكدس للأسفل، ولكن تُقرَأ البيانات للأعلى أي من العنوان الأدنى إلى العناوين الأعلى. هناك عدة طرق للتغلب على هذه المشكلة، إذ يجب عليك التأكد -بصفتك مبرمجًا- من أنك تتحقق دائمًا من كمية البيانات التي تتلقاها في متغير، ويمكن أن يساعد نظام التشغيل في تجنّب ذلك نيابةً عن المبرمج من خلال التأكد من تمييز المكدس على أنه غير قابل للتنفيذ، وبالتالي لن يشغّل المعالج أيّ شيفرة برمجية، حتى إذا حاول مستخدِم سيئ تمرير شيفرة برمجية إلى برنامجك، وتدعم المعماريات وأنظمة التشغيل الحديثة هذه الوظيفة. سادسًا، يدير المصرّف Compiler المكدسات، فهو المسؤول عن إنشاء شيفرة البرنامج، ويبدو المكدس بالنسبة لنظام التشغيل مثل أيّ منطقة أخرى من الذاكرة الخاصة بالعملية. يعرِّف العتاد المسجِّل بوصفه مؤشر المكدس Stack Pointer بهدف تعقّب نمو المكدس الحالي، إذ يستخدِم المصرّف -أو المبرمج عند الكتابة باستخدام لغة التجميع- هذا المسجِّل لتعقّب الجزء العلوي الحالي من المكدس، وإليك مثال عن مؤشر المكدس: $ cat sp.c void function(void) { int i = 100; int j = 200; int k = 300; } $ gcc -fomit-frame-pointer -S sp.c $ cat sp.s .file "sp.c" .text .globl function .type function, @function function: subl $16, %esp movl $100, 4(%esp) movl $200, 8(%esp) movl $300, 12(%esp) addl $16, %esp ret .size function, .-function .ident "GCC: (GNU) 4.0.2 20050806 (prerelease) (Debian 4.0.1-4)" .section .note.GNU-stack,"",@progbits عرضنا في المثال السابق دالةً بسيطةً تخصّص ثلاثة متغيرات على المكدس، إذ توضّح شيفرة فك التجميع السابقة استخدام مؤشر المكدس في معمارية x86. أولًا، نخصّص مساحةً على المكدس لمتغيراتنا المحلية، كما تنمو المكدسات للأسفل، لذلك يجب أن نطرح من القيمة الموجودة في مؤشر المكدس. تُعَدّ القيمة 16 قيمةً كبيرةً بما يكفي للاحتفاظ بمتغيراتنا المحلية، ولكن يمكن ألّا تكون بالحجم المطلوب للحفاظ على محاذاة المكدس في الذاكرة ضمن الحدود التي يتطلبها المصرّف، إذ نحتاج مثلًا 12 بايت فقط وليس 16 مع 3 قيم من النوع int المكوَّن من 4 بايتات، وننقل بعد ذلك القيم إلى ذاكرة المكدس التي تستخدِمها الدالة الحقيقية. أخيرًا، نسحب القيم من المكدس قبل العودة إلى الدالة الأصلية من خلال تحريك مؤشر المكدس إلى حيث كان قبل أن نبدأ. ملاحظة: لاحظ أننا استخدمنا رايةً خاصةً في مصرّف gcc، وهذه الراية هي ‎-fomit-frame-pointer التي تحدِّد أنه لا ينبغي استخدام مسجل إضافي للاحتفاظ بمؤشر إلى بداية إطار المكدس، إذ يساعد وجود هذا المؤشر منقّحات الأخطاء للانتقال للأعلى عبر إطارات المكدس، ولكنه يجعل المسجِّل متاحًا بصورة أقل للتطبيقات الأخرى. الكومة Heap الكومة Heap هي مساحة من الذاكرة تديرها العملية لتخصيص الذاكرة السريع، وتُستخدَم مع المتغيرات التي لا تكون متطلبات ذاكرتها معروفةً في وقت التصريف، ويُعرَف الجزء السفلي من الكومة بالاسم brk وهو استدعاء النظام الذي يعدّل الكومة، كما يمكن للعملية أن تطلب من النواة تخصيص مزيد من الذاكرة لاستخدامها باستخدام الاستدعاء brk لتوسيع المنطقة إلى الأسفل. يدير استدعاء مكتبة malloc الكومةَ، وهذا يجعل إدارة الكومة أمرًا سهلًا للمبرمج من خلال السماح له بتخصيص وتحرير كومة ذاكرة باستخدام الاستدعاء free، كما يمكن أن يستخدِم الاستدعاء malloc أنظمةً مثل مخصّص الأصدقاء Buddy Allocator لإدارة كومة ذاكرة المستخدِم، ويمكن أن يكون الاستدعاء malloc ذكيًا فيما يتعلق بعملية التخصيص ويمكنه استخدام عمليات ربط مجهولة Anonymous mmaps لذاكرة عملية إضافية، وهو المكان الذي يربط منطقة من ذاكرة RAM الخاصة بالنظام مباشرةً بدلًا من ربط ملف مع ذاكرة العملية، إذ يمكن أن يكون ذلك أكثر كفاءةً، كما أنه ليس مألوفًا أن يكون لأيّ برنامج حديث سبب لاستدعاء brk مباشرة نظرًا لتعقيد إدارة الذاكرة بصورة صحيحة. تخطيط الذاكرة تمتلك العملية مناطق أصغر من الذاكرة المخصَّصة لها ويكون لكل منها غرض محدد. ذكرنا في الشكل السابق كيفية وضع العملية في الذاكرة باستخدام النواة، إذ تحتفظ النواة لنفسها ببعض الذاكرة في الجزء العلوي من العملية، ويمكن مشاركة هذه الذاكرة فعليًا بين جميع العمليات باستخدام الذاكرة الوهمية، كما يوجد أسفل ذلك مساحة للملفات والمكتبات المربوطة mmaped، ثم يوجد المكدس وتحته الكومة، في حين توجد في الجزء السفلي صورة البرنامج كما جرى تحميلها من الملف القابل للتنفيذ على القرص الصلب، وسنلقي نظرةً على عملية تحميل هذه البيانات في مقالات لاحقة. واصفات الملف File Descriptors تعرّفنا سابقًا على الملفات الافتراضية المعطاة لكل عملية وهي stdin و stdout و stderr، إذ يكون لهذه الملفات دائمًا رقم واصف الملف نفسه (0 و 1 و 2 على التوالي)، وبالتالي تحتفظ النواة بواصفات الملفات بصورة فردية لكل عملية. تمتلك واصفات الملفات أذونات أيضًا، إذ يمكن أن تتمكّن من القراءة من ملف ولكن لا يمكنك الكتابة فيه مثلًا، إذ يحتفظ نظام التشغيل عند فتح الملف بسجل أذونات العمليات لهذا الملف في واصف الملف ولا يسمح للعملية بفعل أيّ شيء لا ينبغي فعله. المسجلات Registers يطبّق المعالج عمليات بسيطة على القيم الموجودة في المسجِّلات، وتُقرَأ هذه القيم وتُكتَب في الذاكرة، فلكل عملية منطقة مخصَّصة لها في الذاكرة التي تتعقّبها النواة، لذا يجب تعقّب المسجلات، فإذا حان الوقت لتتخلّى العملية المُشغَّلة عن المعالج لتشغيل عملية أخرى، فيجب حفظ حالتها الحالية، كما يجب أن نكون قادرِين على استعادة هذه الحالة عند منح العملية مزيدًا من الوقت للتشغيل على وحدة المعالجة المركزية، لذا يجب على نظام التشغيل تخزين نسخة من مسجِّلات وحدة المعالجة المركزية في الذاكرة. ينسخ نظام التشغيل قيم المسجّل مرةً أخرى من الذاكرة إلى مسجلات وحدة المعالجة المركزية عندما يحين وقت تشغيل العملية مرةً أخرى وستعود العملية للعمل من حيث توقفت. حالة النواة يجب أن تتعقّب النواة عددًا من العناصر لكل عملية والتي سنوضّحها فيما يلي. حالة العملية يجب على نظام التشغيل تعقّب حالة العملية، فإذا كانت العملية قيد التشغيل حاليًا، فيجب أن تكون بحالة تشغيل Running، لكن إذا طلبت العملية قراءة ملف من القرص الصلب، فسنعلَم من تسلسل الذواكر الهرمي أنّ ذلك يمكن أن يستغرق وقتًا طويلًا، إذ يجب على العملية التخلي عن تنفيذها الحالي للسماح بتشغيل عملية أخرى، ولكن لا يجب أن تسمح النواة بتشغيل العملية مرةً أخرى حتى تصبح البيانات من القرص الصلب متاحةً في الذاكرة، وبالتالي يمكن تحديد العملية على أنها في حالة انتظار القرص الصلب Disk Wait حتى تصبح البيانات جاهزةً. الأولوية Priority تُعَدّ بعض العمليات أكثر أهميةً من غيرها وتحظى بأولوية أعلى. الإحصائيات يمكن للنواة الاحتفاظ بإحصائيات حول سلوك كل عملية والتي يمكن أن تساعدها في اتخاذ قرارات حول كيفية تصرف العملية مثل معرفة ما إذا كانت العملية تقرأ من القرص الصلب في أغلب الأحيان أم أنها تنفّذ عمليات مكثفةً في وحدة المعالجة المركزية بمعدّل أعلى. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين What is a process? و Elements of a process من الفصل The Process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: استدعاءات النظام والصلاحيات في نظام التشغيل المقال التالي: تسلسل العمليات الهرمي واستدعاءات النظام Fork و Exec في نظام تشغيل الحاسوب دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب العمليات (Processes) في أنظمة التشغيل أنظمة التشغيل للمبرمجين

استدعاءات النظام system calls هي كيفية تفاعل برامج مجال المستخدِم Userspace مع نواة النظام Kernel، إذ سنشرح فيما يلي المبدأ العام لكيفية عمل هذه الاستدعاءات، وسنتعرّف على الصلاحيات في نظام التشغيل للوصول إلى الموارد. أرقام استدعاءات النظام لكل استدعاء نظام رقم يعرفه مجال المستخدِم والنواة، إذ يعرِف كلاهما أنّ رقم استدعاء النظام 10 هو الاستدعاء open()‎ ورقم استدعاء النظام 11 هو الاستدعاء read()‎ على سبيل المثال. تُعَدّ واجهة التطبيق الثنائية Application Binary Interface -أو ABI اختصارًا- مشابهةً جدًا لواجهة برمجة التطبيقات API، ولكنها مُخصَّصة للعتاد بدلًا من أن تكون خاصةً بالبرمجيات، إذ ستحدّد واجهة برمجة التطبيقات API المسجّل Register الذي يجب إدخال رقم استدعاء النظام فيه لتتمكّن النواة من العثور عليه عندما يُطلب منها إجراء استدعاء النظام. الوسائط Arguments لا تكون استدعاءات النظام جيدةً بدون الوسائط، فالاستدعاء open()‎ مثلًا يحتاج إلى إعلام النواة بالضبط بالملف الذي يجب فتحه، وستحدّد واجهة ABI أيًا من وسائط المسجّلات التي يجب وضعها لاستدعاء النظام. المصيدة Trap يجب أن تكون هناك طريقة ما للاتصال بالنواة التي نريد إجراء استدعاء نظام إليها، إذ تعرِّف جميع المعماريات الحاسوبية تعليمةً تسمى عادةً break أو شيئًا آخر مشابه يشير إلى العتاد الذي نريد إجراء استدعاء النظام إليه، وستخبر هذه التعليمة العتاد بتعديل مؤشر التعليمة ليؤشّر إلى معالج استدعاءات النظام الخاص بالنواة، إذ يخبر نظام التشغيل العتاد بمكان وجود معالج استدعاء النظام عندما يضبط نفسه، لذلك يفقد مجال المستخدِم السيطرة على البرنامج وتمريره إلى النواة بمجرد أن يستدعي التعليمة break. يُعَدّ ما تبقى من هذه العملية بسيطًا إلى حد ما، إذ تبحث النواة في المسجل المُعرَّف مسبقًا عن رقم استدعاء النظام وتبحث عنه في جدول لمعرفة الدالة التي يجب أن تستدعيها، وتُستدعَى هذه الدالة وتنفّذ ما يجب تنفيذه، ثم تضع القيمة المُعادة في مسجل آخر تعرّفه الواجهة ABI بوصفه مسجّل إعادة Return. تتمثل الخطوة الأخيرة في أن تنفّذ النواة تعليمات قفز إلى برنامج مجال المستخدِم لتتمكّن من المتابعة من حيث توقفت، ويحصل برنامج مجال المستخدِم على البيانات التي يحتاجها من مسجِّل الإعادة ثم يكمل عمله، كما يمكن أن تصبح تفاصيل هذه العملية خطيرة للغاية، إلّا أنّ هذا كله يتعلق باستدعاء النظام. مكتبة libc يمكنك تنفيذ كل ما سبق يدويًا لكل استدعاء نظام، لكن تنفّذ مكتبات النظام معظم العمل نيابةً عنك عادةً، والمكتبة القياسية التي تتعامل مع استدعاءات النظام على أنظمة يونيكس هي مكتبة libc. تحليل استدعاء النظام بما أنّ مكتبات النظام تجعل الأنظمة تستدعي نيابة عنك، فيجب تطبيق اختراق منخفض المستوى لتوضيح كيفية عمل استدعاءات النظام، وسنوضح كيفية عمل أبسط استدعاء نظام getpid()‎ الذي لا يأخذ أيّ وسيط ويعيد معرّف البرنامج أو العملية التي تكون قيد التشغيل حاليًا. #include <stdio.h> ‫/* ‫خاصة باستدعاء النظام syscall()‎ */ #include <sys/syscall.h> #include <unistd.h> /* أرقام استدعاءات النظام */ #include <asm/unistd.h> void function(void) { int pid; pid = __syscall(__NR_getpid); } نبدأ بكتابة برنامج صغير بلغة C لتوضيح آلية عمل استدعاءات النظام، وأول شيء يجب ملاحظته هو وجود الوسيط syscall الذي توفّره مكتبات النظام لإجراء استدعاءات النظام مباشرةً، إذ يوفِّر هذا الوسيط طريقةً سهلةً للمبرمجين لإجراء استدعاءات النظام مباشرةً دون الحاجة إلى معرفة إجراءات لغة التجميع الدقيقة لإجراء الاستدعاء على عتادهم. نستخدِم الدالة getpid()‎ لأنّ استخدام اسم دالة رمزي في شيفرتك البرمجية أوضح وتعمل الدالة getpid()‎ بطرق مختلفة جدًا على أنظمة مختلفة، إذ يمكن تخزين الاستدعاء getpid()‎ في الذاكرة المخبئية في نظام لينكس مثلًا، لذا إذا جرى تشغيله مرتين، فلن تتحمل مكتبة النظام عقوبة الاضطرار إلى إجراء استدعاء نظام بالكامل للعثور على المعلومات نفسها مرةً أخرى. تُعرَّف أرقام استدعاءات النظام في الملف asm/unistd.h من مصدر النواة في نظام لينكس، وبما أنّ هذا الملف موجود في المجلد الفرعي asm، فسيختلف ذلك لكل معمارية يعمل عليها نظام لينكس، كما تُعطَى أرقام استدعاءات النظام اسمًا ‎#define يتكون من ‎__NR_‎، وبالتالي يمكنك رؤية أنّ شيفرتك البرمجية ستجري استدعاء النظام getpid ويخزّن القيمة في المعرِّف pid. سنلقي نظرةً على كيفية تطبيق العديد من المعماريات لهذه الشيفرة البرمجية وسنطّلع على الشيفرة البرمجية الحقيقية التي يمكن أن تكون خطيرةً ولكن يجب الالتزام بها، فهذه هي بالضبط الطريقة التي يعمل بها نظامك. معمارية PowerPC يُعَدّ نظام PowerPC معماريةَ RISC شائعة في حواسيب Apple القديمة، وهو جوهر أجهزة أحدث إصدار من Xbox مثلًا، وفيما يلي مثال عن استدعاء نظام PowerPC: /* ‫يتلِف استدعاءُ النظام المسجّلاتِ نفسها لاستدعاء الدالة في نظام powerpc، * ‫باستثناء المسجّل LR الذي يحتاجه التسلسل "sc; bnslr" * ‫والمسجّل CR حيث يُتلَف المسجل CR0.SO فقط الذي يشير إلى * ‫حالة إعادة خطأ. */ #define __syscall_nr(nr, type, name, args...) \ unsigned long __sc_ret, __sc_err; \ { \ register unsigned long __sc_0 __asm__ ("r0"); \ register unsigned long __sc_3 __asm__ ("r3"); \ register unsigned long __sc_4 __asm__ ("r4"); \ register unsigned long __sc_5 __asm__ ("r5"); \ register unsigned long __sc_6 __asm__ ("r6"); \ register unsigned long __sc_7 __asm__ ("r7"); \ \ __sc_loadargs_##nr(name, args); \ __asm__ __volatile__ \ ("sc \n\t" \ "mfcr %0 " \ : "=&r" (__sc_0), \ "=&r" (__sc_3), "=&r" (__sc_4), \ "=&r" (__sc_5), "=&r" (__sc_6), \ "=&r" (__sc_7) \ : __sc_asm_input_##nr \ : "cr0", "ctr", "memory", \ "r8", "r9", "r10","r11", "r12"); \ __sc_ret = __sc_3; \ __sc_err = __sc_0; \ } \ if (__sc_err & 0x10000000) \ { \ errno = __sc_ret; \ __sc_ret = -1; \ } \ return (type) __sc_ret #define __sc_loadargs_0(name, dummy...) \ __sc_0 = __NR_##name #define __sc_loadargs_1(name, arg1) \ __sc_loadargs_0(name); \ __sc_3 = (unsigned long) (arg1) #define __sc_loadargs_2(name, arg1, arg2) \ __sc_loadargs_1(name, arg1); \ __sc_4 = (unsigned long) (arg2) #define __sc_loadargs_3(name, arg1, arg2, arg3) \ __sc_loadargs_2(name, arg1, arg2); \ __sc_5 = (unsigned long) (arg3) #define __sc_loadargs_4(name, arg1, arg2, arg3, arg4) \ __sc_loadargs_3(name, arg1, arg2, arg3); \ __sc_6 = (unsigned long) (arg4) #define __sc_loadargs_5(name, arg1, arg2, arg3, arg4, arg5) \ __sc_loadargs_4(name, arg1, arg2, arg3, arg4); \ __sc_7 = (unsigned long) (arg5) #define __sc_asm_input_0 "0" (__sc_0) #define __sc_asm_input_1 __sc_asm_input_0, "1" (__sc_3) #define __sc_asm_input_2 __sc_asm_input_1, "2" (__sc_4) #define __sc_asm_input_3 __sc_asm_input_2, "3" (__sc_5) #define __sc_asm_input_4 __sc_asm_input_3, "4" (__sc_6) #define __sc_asm_input_5 __sc_asm_input_4, "5" (__sc_7) #define _syscall0(type,name) \ type name(void) \ { \ __syscall_nr(0, type, name); \ } #define _syscall1(type,name,type1,arg1) \ type name(type1 arg1) \ { \ __syscall_nr(1, type, name, arg1); \ } #define _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2) \ type name(type1 arg1, type2 arg2) \ { \ __syscall_nr(2, type, name, arg1, arg2); \ } #define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \ type name(type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3) \ { \ __syscall_nr(3, type, name, arg1, arg2, arg3); \ } #define _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) \ type name(type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3, type4 arg4) \ { \ __syscall_nr(4, type, name, arg1, arg2, arg3, arg4); \ } #define _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5) \ type name(type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3, type4 arg4, type5 arg5) \ { \ __syscall_nr(5, type, name, arg1, arg2, arg3, arg4, arg5); \ } يوضِّح جزء الشيفرة البرمجية السابق من ملف ترويسة النواة asm/unistd.h كيف يمكننا تطبيق استدعاءات النظام على نظام PowerPC، ويمكن أن يبدو الأمر معقدًا للغاية، ولكن لنشرحه خطوةً خطوة. انتقل أولًا إلى نهاية المثال إلى تعريف وحدات الماكرو ‎_syscallN، إذ يمكنك رؤية أنّ هناك العديد من وحدات الماكرو ويأخذ كل منها وسيطًا آخر تدريجيًا، وسنركّز على أبسط إصدار وهو ‎_syscall0 للبدء به والذي لا يتطلب سوى وسيطَين هما نوع القيمة المُعادة لاستدعاء النظام مثل int أو char واسم استدعاء النظام، إذ يكون مع الاستدعاء getpid بالصورة ‎_syscall0(int,getpid)‎. سنبدأ الآن بتفكيك الماكرو ‎__syscall_nr الذي لا يختلف عما كان عليه سابقًا، إذ سنأخذ عدد الوسائط على أنه المعامِل الأول ثم النوع والاسم والوسائط الفعلية، فالخطوة الأولى هي التصريح عن بعض الأسماء للمسجّلات، إذ يشير الاسم ‎__sc_0 إلى المسجّل r0 أي المسجّل 0، ويستخدِم المصرِّف Compiler المسجلات بالطريقة التي يريدها، لذلك يجب أن نعطيه قيودًا حتى لا يقرّر استخدام المسجّل الذي نحتاجه بطريقة مخصصة. سنستدعي بعد ذلك sc_loadargs إلى جانب المعامِل ## الذي يُعَدّ أمر لصق يُستبدَل بالمتغير nr، وسنوسّعه إلى ‎__sc_loadargs_0(name, args);‎، ويمكننا رؤية ‎__sc_loadargs الذي يضبط ‎__sc_0 ليكون رقم استدعاء النظام، ولاحظ معامِل اللصق مرةً أخرى مع البادئة ‎__NR_‎ واسم المتغير الذي يشير إلى مسجّل معيّن، لذا تُستخدَم هذه الشيفرة البرمجية السابقة ذات المظهر الصعب لوضع رقم استدعاء النظام في المسجّل 0، كما يمكنك باتباع الشيفرة البرمجية السابقة رؤية أن وحدات الماكرو الأخرى ستضع وسائط استدعاء النظام في المسجّل r3 عبر المسجّل r7، ويمكنك فقط الحصول على 5 وسائط على أساس حد أقصى لاستدعاء النظام. سنعالج الآن القسم __asm__، إذ لدينا هنا ما يسمّى بالتجميع المُضمَّن Inline Assembly لأنها شيفرة تجميع مختلطة مع الشيفرة المصدرية، وهذه الصيغة معقدة بعض الشيء، لذلك سنشير إلى الأجزاء المهمة منها فقط، كما عليك تجاهل البت __volatile__ حاليًا والذي يخبر المصرّف أنّ هذه الشيفرة البرمجية لا يمكن التنبؤ بها، لذا لا تحاول التعامل معها بذكاء، كما أنّ كل الأشياء الموجودة بعد النقطتين هي طريقة للتواصل مع المصرّف حول ما يفعله التجميع المضمَّن لمسجلات وحدة المعالجة المركزية، ويجب أن يعرِف المصرّف ذلك حتى لا يحاول استخدام أيّ من هذه المسجلات بطرق يمكنها التسبب في حدوث عطل. لكن الجزء المهم هو وجود تعليمتَي التجميع في الوسيط الأول، إذ ينفِّذ الاستدعاء sc كل العمل، وهذا كل ما عليك تطبيقه لإجراء استدعاء نظام، وبالتالي يحدث ما يلي عند إجراء استدعاء النظام، إذ يعرف المعالِج المُقاطَع أنه يجب عليه نقل التحكم إلى جزء معيّن من إعداد الشيفرة البرمجية في وقت بدء تشغيل النظام لمعالجة المقاطعات، كما توجد هناك العديد من المقاطعات، وتُعَدّ استدعاءات النظام إحداها، وتبحث هذه الشيفرة البرمجية بعد ذلك في المسجل 0 للعثور على رقم استدعاء النظام، ثم تبحث في جدول لإيجاد الدالة الصحيحة للانتقال إليها لمعالجة استدعاء النظام، وتتلقى هذه الدالة وسائطها من المسجل 3 إلى المسجل 7. يعود التحكم إلى التعليمة التالية بعد sc وهي في هذه الحالة تعليمات سور الذاكرة Memory Fence بمجرد تشغيل معالج استدعاء النظام واكتماله، كما تتأكد تعليمات سور الذاكرة من أن كل شيء ملتزم بالذاكرة، حيث تضمن هذه التعليمة أنّ كل ما نعتقد أنه مكتوب في الذاكرة قد حدث فعليًا دون المرور عبر خط أنابيب Pipeline في مكان ما. انتهينا تقريبًا، ولكن الشيء الوحيد المتبقي هو إعادة القيمة من استدعاء النظام، إذ نرى ضبط القيمة ‎__sc_ret من المسجل r3 وضبط القيمة ‎__sc_err من المسجل r0، فالقيمة الأولى هي القيمة المُعادة، والأخرى هي قيمة الخطأ، إذ يمكن أن تفشل استدعاءات النظام مثل أيّ دالة أخرى، لكن تكمن المشكلة في أنّ استدعاء النظام يمكن أن يعيد أيّ قيمة ممكنة، إذ لا يمكننا أن نقول أن القيمة السالبة تشير إلى الفشل، لأنها يمكن أن تكون مقبولةً لبعض استدعاءات النظام، لذا تضمن دالة استدعاء النظام أنّ نتيجتها في المسجل r3 وأنّ أيّ رمز خطأ موجود في المسجل r0 قبل إعادة النتيجة. يجب التحقق من رمز الخطأ للتأكد من ضبط البِتّ العلوي الذي من شأنه الإشارة إلى عدد سالب، فإذا كان الأمر كذلك، فسنضبط قيمة المتغير errno العام على هذه القيمة وهي المتغير القياسي للحصول على معلومات الخطأ عند فشل الاستدعاء، كما سنضبط القيمة المُعادة على ‎-1، وسنعيد النتيجة مباشرةً في حالة تلقّي نتيجة صالحة، لذا يجب على دالة الاستدعاء التحقق من أنّ القيمة المعادة ليست ‎-1، فإذا كان الأمر كذلك، فيمكنها التحقق من المتغير errno للعثور على سبب فشل الاستدعاء، وهذا هو استدعاء نظام كامل على نظام PowerPC. استدعاءات نظام x86 إليك الواجهة المطبَّقة لمعالج x86: ‫/‫* ‫توجد أرقام الأخطاء المرئية للمستخدِم ضمن المجال من ‎-1 إلى ‎-124: راجع <asm-i386/errno.h> */ #define __syscall_return(type, res) \ do { \ if ((unsigned long)(res) >= (unsigned long)(-125)) { \ errno = -(res); \ res = -1; \ } \ return (type) (res); \ } while (0) ‫/‫* ‫‎_foo يجب أن تكون ‎__foo، بينما ‎__NR_bar يمكن أن تكون ‎_NR_bar */ #define _syscall0(type,name) \ type name(void) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name)); \ __syscall_return(type,__res); } #define _syscall1(type,name,type1,arg1) \ type name(type1 arg1) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1))); \ __syscall_return(type,__res); } #define _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2) \ type name(type1 arg1,type2 arg2) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2))); \ __syscall_return(type,__res); } #define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \ type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \ "d" ((long)(arg3))); \ __syscall_return(type,__res); \ } #define _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) \ type name (type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3, type4 arg4) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \ "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4))); \ __syscall_return(type,__res); \ } #define _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, \ type5,arg5) \ type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \ "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5))); \ __syscall_return(type,__res); \ } #define _syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, \ type5,arg5,type6,arg6) \ type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5,type6 arg6) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("push %%ebp ; movl %%eax,%%ebp ; movl %1,%%eax ; int $0x80 ; pop %%ebp" \ : "=a" (__res) \ : "i" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \ "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5)), \ "0" ((long)(arg6))); \ __syscall_return(type,__res); \ } تختلف معمارية x86 كثيرًا عن PowerPC التي تحدّثنا عنها سابقًا، إذ يُصنَّف x86 على أنه معالِج من النوع CISC على عكس PowerPC الذي يُعَدذ من النوع RISC، ولديه مسجلات أقل بكثير. اطّلع على أبسط ماكرو ‎_syscall0 الذي يستدعي تعليمة من النوع int والقيمة 0x80، إذ تعمل هذه التعليمة على جعل وحدة المعالجة المركزية ترفع المقاطعة 0x80 التي ستنتقل إلى الشيفرة البرمجية التي تعالج استدعاءات النظام في النواة. لنفحص الآن كيفية تمرير الوسائط باستخدام وحدات الماكرو الأطول، ولاحظ كيف أنّ نظام PowerPC قد طبّق تتال وانسياب cascade من وحدات الماكرو من خلال إضافة وسيط واحد في كل مرة، كما يحتوي هذا التطبيق على شيفرة برمجية منسوخة ولكن اتباعه أسهل قليلًا. تستند أسماء المسجّلات في معمارية x86 إلى الأحرف عوضًا عن أسماء المسجّلات الرقمية في PowerPC، إذ يمكننا رؤية من الماكرو عديم الوسائط أنّ المسجّل A يُحمَّل فقط، وبالتالي يمكننا القول أنّ رقم استدعاء النظام متوقَّع وجوده في المسجّل EAX، كما يمكنك رؤية أسماء المسجلات المختصرة في وسائط استدعاء __asm__ عندما نبدأ بتحميل المسجلات في وحدات الماكرو الأخرى. لاحظ الماكرو ‎__syscall6 الذي يأخذ 6 وسائط، إذ تعمل التعليمتان push و pop مع المكدس في x86، بحيث تدفع إحداهما قيمةً إلى أعلى المكدس في الذاكرة وتسحب الأخرى القيمة من المكدس في الذاكرة، كما يجب تخزين قيمة المسجل ebp في الذاكرة ووضع الوسيط في التعليمة mov وإجراء استدعاء للنظام، ثم إعادة القيمة الأصلية إلى المسجل ebp في حالة وجود ستة مسجلات، كما يمكنك هنا رؤية عيوب عدم وجود مسجلات كافية، إذ يُعَدّ التخزين في الذاكرة باهظ الثمن، لذا كلما تمكنت من تجنّبها، كان ذلك أفضل. لاحظ عدم وجود تعليمات سور الذاكرة التي رأيناها سابقًا مع PowerPC لأنّ معمارية x86 تضمن أن يكون تأثير جميع التعليمات مرئيًا عند اكتمالها، مما يسهّل البرمجة على المصرّف والمبرمج ولكنه يقلل من المرونة. يوجد أيضًا اختلاف في القيمة المُعادة، فقد كان لدينا مسجّلَين مع قيم مُعادة من النواة في معمارية PowerPC، إحداهما هي القيمة والأخرى هي رمز الخطأ، في حين لدينا قيمة مُعادة واحدة في معمارية x86 تُمرَّر إلى الماكرو ‎__syscall_return الذي يغيّر نوع القيمة المُعادة إلى النوع unsigned long ويوازنها مع مجال من القيم السالبة تعتمد على المعمارية والنواة، حيث تمثّل هذه القيم رموز الخطأ. لاحظ أنّ قيمة رمز الخطأ errno موجبة، مما يؤدي إلى إلغاء النتيجة السالبة من النواة، لكن يعني هذا أنّ استدعاءات النظام لا يمكنها إعادة قيم سالبة صغيرة، إذ لا يمكن تمييزها عن رموز الخطأ، كما تضيف بعض استدعاءات النظام التي لديها هذا المتطلب مثل الاستدعاء getpriority()‎ إزاحةً إلى القيمة المُعادة لإجبارها بأن تكون دائمًا موجبة، فالأمر متروك لمجال المستخدِم لإدراك ذلك وطرح هذه القيمة الثابتة للحصول على القيمة الحقيقية. الصلاحيات يُعَدّ تطبيق الأمان أحد مهام نظام التشغيل الرئيسية بهدف عدم السماح لتطبيق أو مستخدِم بالتضارب مع أيّ تطبيق آخر يعمل في النظام، وهذا يعني أن التطبيقات يجب ألّا تكون قادرةً على الكتابة في ذاكرة أو ملفات التطبيقات الأخرى، ويجب أن تصل فقط إلى الموارد وفق سياسة النظام. لكن يكون لأحد التطبيقات عند تشغليها استخدام حصري للمعالج، إذ سنرى كيف يعمل ذلك عندما نتعرّف على العمليات في المقال التالي، ويمكن التأكد من وصول التطبيق إلى الذاكرة التي يمتلكها فقط باستخدام نظام الذاكرة الوهمية Virtual Memory، إذ يُعَدّ العتاد مسؤولًا عن تطبيق هذه القواعد. تُعَدّ واجهة استدعاء النظام بوابة التطبيق للوصول إلى موارد النظام، إذ يمكن للنواة فرض قواعد حول نوع الوصول الذي يمكن توفيره من خلال إجبار التطبيق على طلب الموارد من خلال استخدام استدعاء نظام إلى النواة، فإذا أجرى أحد التطبيقات استدعاء النظام open()‎ لفتح ملف على القرص الصلب مثلًا، فسيتحقق من أذونات المستخدِم المقابلة لأذونات الملف ثم سيسمح بوصوله أو يرفضه. مستويات الصلاحيات تُعَدّ حماية العتاد مجموعةً من الحلقات متحدة المركز حول مجموعة أساسية من العمليات. مستويات الصلاحيات في معمارية x86 توجد التعليمات ذات الحماية الأكبر في الحلقة الداخلية، وهي التعليمات التي يجب السماح للنواة فقط باستدعائها مثل التعليمة HLT المُستخدَمة لإيقاف المعالج، إذ يجب ألّا يُسمَح بأن يشغّلها تطبيق مستخدِم، لأن ذلك سيوقف الحاسوب بأكمله عن العمل، لكن يجب أن تكون النواة قادرةً على استدعاء هذه التعليمة عند إيقاف تشغيل الحاسوب بطريقة نظامية، إذ يرفع العتاد استثناءً عندما يستدعي تطبيق ما هذه التعليمة، ويتضمّن هذا الاستثناء القفز إلى معالج محدد في نظام التشغيل مشابه لمعالج استدعاء النظام، كما يُحتمَل أن ينهي نظام التشغيل بعد ذلك البرنامج ويعطي المستخدِم بعض الأخطاء حول كيفية تعطل التطبيق. يمكن لكل حلقة داخلية الوصول إلى أيّ تعليمات تحميها حلقة خارجية، ولكن لا يمكنها الوصول إلى تعليمة تحميها حلقة داخلية، كما لا تحتوي جميع المعماريات على مستويات متعددة من الحلقات كما في الشكل السابق، ولكن سيوفر معظمها على الأقل مستوى النواة Kernel ومستوى المستخدِم User. نموذج الحماية 386 يحتوي نموذج الحماية 386 على أربع حلقات بالرغم من أن معظم أنظمة التشغيل مثل لينكس وويندوز تستخدِم حلقتَين فقط للحفاظ على التوافق مع المعماريات الأخرى التي تسمح الآن بأكبر عدد من مستويات الحماية المنفصلة، كما يحتفظ النموذج 386 بالصلاحيات من خلال أن يكون لكل جزء من شيفرة التطبيق البرمجية المُشغَّلة في النظام واصف صغير يسمى واصف الشيفرة البرمجية Code Descriptor الذي يصِف مستوى صلاحياتها. تقفز شيفرة التطبيق عند تشغليها سريعًا إلى الشيفرة البرمجية الموجودة خارج المنطقة التي يصِفها واصفُ شيفرة التطبيق مع التحقق من مستوى صلاحيات الهدف، فإذا كانت الصلاحيات أعلى من صلاحيات الشيفرة المُشغَّلة حاليًا، فلن يسمح العتاد بهذه القفزة وسيتعطل التطبيق. رفع مستوى الصلاحيات يمكن أن ترفع التطبيقات مستوى صلاحياتها فقط من خلال استدعاءات محددة تسمح بذلك مثل التعليمات الخاصة بتنفيذ استدعاء النظام، إذ يشار إليها عادةً باسم بوابة الاستدعاءات Call Gate لأنها تعمل مثل بوابة حقيقية تسمح بمدخل صغير عبر جدار غير قابل للاختراق. رأينا كيف يوقِف العتاد التطبيق الذي يكون قيد التشغيل ويسلّم التحكم إلى النواة عند استدعاء هذه التعليمات، ويجب أن تعمل النواة بوصفها حارسًا للبوابة للتأكد من عدم دخول أيّ شيء غير مرغوب به من البوابة، إذ يجب التحقق من وسائط استدعاء النظام بعناية للتأكد من أنه لن ينخدع بفعل شيء لا ينبغي أن يفعله، وبالتالي حدوث خطأ أمني. تعمل النواة في الحلقة الداخلية، لذا فهي تمتلك الأذونات اللازمة لإجراء أيّ عملية تريدها، ثم ستعيد التحكم في النهاية إلى التطبيق الذي سيعمل مرةً أخرى بمستوى صلاحيات أقل. استدعاءات النظام السريعة تتمثل إحدى مشاكل المصائد كما هو موضح سابقًا في أنها باهظة الثمن بالنسبة للمعالج لتطبيقها، فهناك الكثير من الحالات التي يجب حفظها قبل تبديل السياق، وقد أدركت المعالجات الحديثة هذا الحِمل وتسعى جاهدة لتقليله. يتطلب فهم آلية بوابة الاستدعاءات الموضحة سابقًا التدقيق في مخطط التقطيع المبتكر والمعقد الذي يستخدمه المعالج، وقد كان السبب الأصلي لتطبيق التقطيع هو القدرة على استخدام أكثر من 16 بِتًا متوفرًا في المسجل لعنوان ما كما هو موضح في الشكل التالي: تقطيع العنونة Segmentation Addressing في معمارية x86: يؤدي التقطيع إلى توسيع مساحة عناوين المعالج من خلال تقسيمه إلى أجزاء. يحتفظ المعالج بمسجلات مقاطع خاصة، ويمكن تحديد العناوين من خلال مسجّل المقطع والإزاحة. تُضاف قيمة مسجل المقطع إلى جزء الإزاحة للعثور على العنوان النهائي. بقي مخطط التقطيع كما هو ولكن بتنسيق مختلف عندما انتقلت معمارية x86 إلى مسجّلات بحجم 32 بِتًا، إذ يُسمَح للمقاطع بأن تكون بأيّ حجم بدلًا من استخدام أحجام ثابتة، ويجب أن يتعقّب المعالج كل هذه المقاطع المختلفة وأحجامها، وهو ما يفعله باستخدام الواصفات Descriptors. تكون واصفات المقاطع المتاحة للجميع محفوظةً في جدول الواصفات العام Global Descriptor Table أو GDT اختصارًا، كما تحتوي كل عملية على عدد من المسجلات التي توشّر إلى مدخلات في جدول GDT، وهذه المدخلات هي المقاطع التي يمكن للعملية الوصول إليها، كما توجد جداول واصفات محلية، وتتفاعل جميعها مع مقاطع حالة المهمات، لكنها ليست مهمةً حاليًا. مقاطع x86: لاحظ كيف يمر الاستدعاء البعيد عبر بوابة الاستدعاءات التي توجّهه إلى مقطع من الشيفرة يعمل على مستوى الحلقة الأدنى. الطريقة الوحيدة لتعديل محدّد مقطع الشيفرة -المستخدَم ضمنيًا لجميع عناوين الشيفرة- هي استخدام آلية الاستدعاء، حيث تضمن آلية بوابة الاستدعاءات اختيار واصف مقطع جديد، مما يؤدي إلى تغيير مستويات الحماية التي يجب عليك الانتقال إليها عبر نقطة دخول معروفة. يضبط نظام التشغيل مسجلات المقطع بوصفها جزءًا من حالة العملية، لذا يعرِف عتاد المعالِج مقاطع الذاكرة التي يمكن للعملية المُشغَّلة الوصول إليها، كما يمكنه فرض الحماية لضمان عدم وصول العملية لأيّ شيء لا يُفترَض أن تصل إليه، فإذا خرجت العملية خارج حدودها المفروضة، فستتلقّى خطأ تقطيع Segmentation Fault يعرفه معظم المبرمجين. إذا احتاج تشغيل الشيفرة البرمجية إلى إجراء استدعاءات إلى شيفرة موجودة في مقطع آخر، فستطبّق معمارية x86 ذلك كما في الحلقات Rings، إذ تكون الحلقة 0 هي الحلقة ذات الإذن الأعلى والحلقة 3 هي الأدنى، ويمكن للحلقات الداخلية الوصول إلى الحلقات الخارجية ولكن ليس العكس. إذا أرادت شيفرة الحلقة 3 القفز إلى شيفرة الحلقة 0، فستعدّل محدّد مقطع الشيفرة الخاص بها ليؤشّر إلى مقطع مختلف، لذلك يجب أن تستخدِم تعليمة استدعاءات بعيدة خاصة بحيث يتأكد العتاد من مرورها عبر بوابة الاستدعاءات، ولا توجد طريقة أخرى للعملية المُشغَّلة لاختيار واصف مقطع شيفرة جديد، وسيبدأ المعالج بعد ذلك في تنفيذ الشيفرة البرمجية عند الإزاحة المعروفة في مقطع الحلقة 0، وهذا هو سبب الحفاظ على السلامة مثل عدم قراءة الشيفرة البرمجية العشوائية والضارة وتنفيذها، كما سيبحث المهاجمون دائمًا عن طرق لجعل شيفرتك البرمجية تفعل شيئًا لا تريده. يسمح ذلك بتسلسل هرمي كامل للمقاطع والأذونات، ولاحظ أنّ استدعاء المقطع العرضي يشبه استدعاء النظام، فإذا سبق لك أن شاهدت لغة تجميع لينكس x86، فالطريقة القياسية لإجراء استدعاء النظام هي باستخدام int 0x80 التي ترفع المقاطعة 0x80، إذ توقِف المقاطعة المعالج وتنتقل إلى بوابة المقاطعات التي تعمل بعد ذلك بطريقة بوابة الاستدعاءات نفسها بحيث تغيّر مستوى الصلاحيات وتعيدك إلى منطقة أخرى من الشيفرة البرمجية. مشكلة هذا المخطط أنه بطيء، إذ يتطلب الأمر الكثير من الجهد لتطبيق كل هذا الفحص، ويجب حفظ العديد من المسجلات للوصول إلى الشيفرة الجديدة، كما يجب استعادة كل شيء مرةً أخرى في طريق العودة. لا يُستخدَم نظام الحلقات ذو المستويات الأربعة في تقطيع نظام x86 الحديث بفضل الذاكرة الوهمية، والشيء الوحيد الذي يحدث فعليًا مع تبديل التقطيع هو استدعاءات النظام التي تتحوّل من الوضع 3 -أي مجال المستخدِم- إلى الوضع 0 وتقفز إلى شيفرة معالج استدعاء النظام في النواة. يوفّر المعالِج تعليمات استدعاء نظام فائقة السرعة تسمى sysenter (و sysexit للعودة)، إذ تسرّع هذه التعليمات العملية برمتها عبر الاستدعاء int 0x80 من خلال إزالة الطبيعة العامة للاستدعاء البعيد، أي إمكانية الانتقال إلى أيّ مقطع في أيّ مستوى حلقة، وتقييد الاستدعاء للانتقال فقط إلى شيفرة الحلقة 0 في مقطع معيّن مع الإزاحة كما هي مخزّنة في المسجلات. بما أننا استبدلنا هذه الطبيعة العامة بالكثير من المعلومات المعروفة مسبقًا، فيمكن تسريع العملية، وبالتالي سنحصل على استدعاء النظام السريع الذي ذكرناه سابقًا، والشيء الآخر الذي يجب ملاحظته هو أنّ الحالة لا تُحفَظ عندما ينتقل التحكم إلى النواة، إذ يجب أن تكون النواة حريصةً على عدم تدمير الحالة، ولكن يعني هذا أنها حرة في حفظ الحالة الصغيرة كما هو مطلوب لتنفيذ المهمة، لذلك يمكن أن تكون أكثر فاعليةً، إذ تتعلق هذه الفكرة بمعمارية RISC، وتوضّح كيفية تلاشي الخط بين معالجات RISC و CISC. هناك طرق أخرى للتواصل مع النواة مثل ioctl وأنظمة الملفات مثل proc و sysfs و debugfs وغير ذلك. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين System Calls و Privileges من الفصل The Operating System من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب المقال التالي: العمليات وعناصرها في نظام تشغيل الحاسوب العمليات (Processes) في أنظمة التشغيل أنظمة التشغيل للمبرمجين

يدعم نظام التشغيل العملية الكاملة للحواسيب الحديثة، فهو عنصر أساسي في معمارية الحواسيب، لذا سنتعرّف في هذا المقال على دوره وكيفية تنظيمه. تجريد العتاد تتمثل العملية الأساسية لنظام التشغيل Operating System -أو OS اختصارًا- في تجريد Abstraction العتاد للمبرمج والمستخدِم، إذ يوفّر نظام التشغيل واجهات عامة للخدمات التي يقدمها العتاد الأساسي، كما يجب على المبرمجين معرفة تفاصيل العتاد الأساسي الأكثر خصوصيةً لتشغيل أيّ شيء في عالم خال من أنظمة التشغيل، إذ لن تعمل برامجهم على عتاد آخر حتى عند وجود اختلافات طفيفة في هذا العتاد. تعدد المهام Multitasking نتوقع من الحواسيب الحديثة تنفيذ العديد من الأشياء المختلفة في وقت واحد، لذا يجب التحكيم بين جميع البرامج المختلفة التي تعمل على النظام، ويُعَدً ذلك وظيفة أنظمة التشغيل التي تسمح بحدوث ذلك بسلاسة، فنظام التشغيل مسؤول عن إدارة الموارد داخل النظام، إذ تتنافس المهام المتعددة على موارده أثناء تشغيله بما في ذلك وقت المعالج والذاكرة والقرص الصلب ودخل المستخدِم، كما تتمثل وظيفته في التحكيم في وصول المهام المتعددة لهذه الموارد بطريقة منظمة. لا بد أنك مررت بفشل حاسوبك وتعطله مثل ظهور شاشة الموت الزرقاء Blue Screen of Death الشهيرة بسبب التنافس على هذه الموارد. الواجهات الموحدة Standardised Interfaces يرغب المبرمجون في كتابة برامج تعمل على أكبر عدد ممكن من المنصات العتادية، ويمكن ذلك من خلال دعم نظام التشغيل للواجهات الموحَّدة المعيارية، فإذا كانت دالة فتح ملف مثلًا على أحد الأنظمة open()‎ وكانت open_file()‎ و openf()‎ على نظام آخر، فسيواجه المبرمجون مشكلةً مزدوجةً تتمثل في الاضطرار إلى تذكّر ما يفعله كل نظام مع عدم عمل البرامج على أنظمة متعددة. تُعَدّ واجهة نظام التشغيل المتنقلة Portable Operating System Interface -أو POSIX اختصارًا- معيارًا مهمًا للغاية تطبّقه أنظمة تشغيل من نوع يونيكس UNIX، كما يملك نظام مايكروسوفت ويندوز معايير مشابهة، ويأتي حرف X في POSIX من نظام يونيكس Unix الذي نشأ منه المعيار، وهو اليوم الإصدار رقم 3 من مواصفات يونيكس الواحدة Single UNIX Specification Version 3 أو ISO/IEC 9945:2002 نفسه، كما أنه معيار مجاني ومتاح على الإنترنت. كانت مواصفات يونيكس الواحدة ومعايير POSIX كيانات منفصلةً سابقًا، وقد أصدر اتحاد يسمّى المجموعة المفتوحة Open Group مواصفات يونيكس الواحدة، وكان متاحًا مجانًا وفقًا لمتطلبات هذا الاتحاد، وأحدث إصدار هو الإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة، كما أُصدِرت معايير IEEE POSIX بوصفها معايير بالشكل [رقم المراجعة، رقم الإصدار].IEEE Std 1003، ولم تكن متاحةً مجانًا، وأحدث إصدار منها هو IEEE 1003.1-2001 وهو مكافئ للإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة. دُمِج هذان المعياران المنفصلان فيما يُعرف باسم الإصدار الثالث من مواصفات يونيكس الواحدة، ووحّدته منظمة ISO بالاسم ISO/IEC 9945:2002 في بداية عام 2002، لذا عندما يتحدث الناس عن معيار POSIX أو SUS3 أو ISO/IEC 9945:2002، فإنهم يعنون الشيء نفسه. الأمن يُعَدّ الأمن مهمًا جدًا في الأنظمة متعددة المستخدِمين، إذ يكون نظام التشغيل -بصفته المتحكّم في الوصول إلى النظام- مسؤولًا عن ضمان أنّ الأشخاص الذين لديهم الأذونات الصحيحة فقط يمكنهم الوصول إلى الموارد، فإذا امتلك مستخدِم أحد الملفات مثلًا، فلا ينبغي السماح لمستخدِم آخر بفتحه وقراءته، ولكن هناك حاجة لوجود آليات لمشاركة هذا الملف بأمان بين المستخدِمين إذا أرادوا ذلك. أنظمة التشغيل هي برامج كبيرة ومعقدة تحتوي على مشكلات أمنية في أغلب الأحيان، إذ يستفيد الفيروس أو الدودة الفيروسية من هذه الأخطاء غالبًا للوصول إلى الموارد التي لا ينبغي السماح لها بالوصول إليها مثل الملفات أو اتصال الشبكة، لذا يجب عليك تثبيت حزم التصحيح أو التحديثات التي يوفرها مصنّع نظام التشغيل لمحاربتها. الأداء يوفِّر نظام التشغيل العديد من الخدمات للحاسوب، لذلك يُعَدّ أداؤه أمرًا بالغ الأهمية، إذ تعمل أجزاء كثيرة من نظام التشغيل بصورة متكررة، كما يمكن أن تؤدي زيادة عدد دورات المعالج إلى انخفاض كبير في أداء النظام، ويحتاج نظام التشغيل لاستغلال ميزات العتاد الأساسي للتأكد من الحصول على أفضل أداء ممكن لإجراء العمليات، وبالتالي يجب على مبرمجي الأنظمة فهم التفاصيل الدقيقة للمعمارية التي يبنون نظام التشغيل من أجلها. تكون مهمة مبرمجي الأنظمة في كثير من الحالات هي تحديد سياسات النظام، إذ تؤدي الآثار الجانبية لجعل جزء من نظام التشغيل يعمل بصورة أسرع إلى جعل جزء آخر يعمل بصورة أبطأ أو أقل كفاءة، لذا يجب على مبرمجي الأنظمة فهم كل هذه المقايضات عند بناء نظام التشغيل. تنظيم نظام التشغيل يُعَدّ نظام التشغيل منظمًا تقريبًا كما في الصورة التالية: تنظيم النواة Kernel: تُشغَّل عمليات النواة مباشرةً في مجال المستخدِم Userspace، وتتواصل النواة مباشرةً مع العتاد Hardware وعبر المشغّلات Drivers. النواة Kernel تُعَدّ النواة نظام تشغيل، وتجرّد المشغّلات Drivers العتاد للنواة كما تجرّد النواة العتاد لبرامج المستخدِم، حيث يوجد العديد من أنواع بطاقات الرسوم المختلفة على سبيل المثال، ولكل منها ميزات مختلفة قليلًا عن بعضها البعض، ولكن طالما أن النواة تصدّر واجهة برمجة تطبيقات API، فيمكن للأشخاص الذين لديهم إذن الوصول إلى مواصفات العتاد كتابةُ برامج للمشغّلات لتطبيق هذه الواجهة، ويمكن للنواة باستخدام هذه الطريقة الوصول إلى أنواع مختلفة من العتاد. تُوصَف النواة بأن لها صلاحيات Privileged، فللعتاد أدوار مهمة يؤديها لتشغيل مهام متعددة والحفاظ على أمان النظام، ولكن لا تُطبَّق هذه القواعد على النواة، كما يجب أن تتعامل النواة مع البرامج التي تتعطل، فوظيفة أنظمة التشغيل هي فقط تنظيم العمل والتحكيم بين العديد من البرامج التي تعمل على النظام نفسه، وليس هناك ما يضمن أنها ستتصرف لحل المشاكل، ولكن سيصبح النظام بأكمله عديم الفائدة في حالة تعطل أي جزء داخلي من نظام التشغيل، كما يمكن أن تستغل عمليات المستخدِم مشاكل الأمان لترفع مستواها إلى مستوى صلاحيات النواة، وبالتالي يمكنها الوصول إلى أيّ جزء من النظام. النواة الأحادية Monolithic والنواة الدقيقة Microkernel أحد الأمور الجدلية التي تُطرَح غالبًا حول أنظمة التشغيل هو ما إذا كانت النواة أحادية Monolithic أو نواة دقيقة Microkernel. تُعَدّ النواة الأحادية الأكثر شيوعًا كما هو الحال في معظم أنظمة يونيكس الشائعة مثل لينكس، إذ تكون النواة في هذا النموذج ذات صلاحيات كبيرة، وتحتوي على مشغّلات العتاد ومتحكمات الوصول إلى نظام الملفات وفحص الأذونات والخدمات مثل نظام ملفات الشبكة Network File System -أو NFS اختصارًا. تتمتع النواة دائمًا بصلاحيات، لذلك إذا تعطل أيّ جزء منها، فيُحتمَل أن يتوقف النظام بأكمله، وإذا كان لدى مشغّل خطأ برمجي ما bug، فيمكنه الكتابة في أيّ ذاكرة في النظام دون أيّ مشاكل، مما يؤدي في النهاية إلى تعطل النظام. تحاول معمارية النواة الدقيقة تقليل هذا الاحتمال من خلال جعل الجزء الذي يمتلك الصلاحيات من النواة صغيرًا قدر الإمكان. هذا يعني أن معظم النظام يعمل كبرامج دون صلاحيات، مما يحد من الضرر الذي يمكن أن يسبّبه أيّ مكونٍ معطَّل، فمثلًا يمكن تشغيل مشغّلات العتاد في عمليات منفصلة، وبالتالي إذا تعطّل أحد هذه المشغّلات، فلن يتمكّن من الكتابة في أيّ ذاكرة غير تلك المخصصة له. تبدو معمارية النواة الدقيقة جيدةً، ولكنها ستؤدي إلى المشكلتين التاليتين: انخفاض الأداء، إذ يمكن أن يؤدي التواصل بين العديد من المكونات المختلفة إلى تقليل الأداء. يُعَدّ تطبيقها أصعب قليلًا على المبرمجين. تأتي هذه المشاكل بسبب تطبيق معظم الأنوية الدقيقة باستخدام نظام قائم على تمرير الرسائل Message Passing بهدف الحفاظ على الفصل بين المكونات، ويشار إلى هذا النظام عادةً باسم التواصل بين العمليات Inter-process Communication أو IPC اختصارًا. يحدث التواصل بين المكونات باستخدام رسائل منفصلة يجب تجميعها ضمن حزم وإرسالها إلى المكوِّن الآخر وتفكيكها وتشغيلها وإعادة تجميعها وإعادة إرسالها ثم تفكيكها مرةً أخرى للحصول على النتيجة، وهذه خطوات كثيرة لطلبٍ بسيط إلى حد ما من مكون خارجي، ويمكن أن تجعل أحد الطلبات المكون الآخر يُجري طلبات أكثر لمكونات أكثر، وستتفاقم المشكلة. كانت تطبيقات تمرير الرسائل البطيئة مسؤولة إلى حد كبير عن الأداء الضعيف لأنظمة النواة الدقيقة القديمة، وكانت مفاهيم تمرير الرسائل أصعب قليلًا على المبرمجين، ولم تكن الحماية المُحسَّنة من تشغيل المكونات بصورة منفصلة كافيةً للتغلب على هذه العقبات في أنظمة النواة الدقيقة القديمة، لذا أصبحت قديمة الطراز، في حين تكون الاستدعاءات بين المكونات استدعاءات وظيفيةً بسيطةً في النواة الأحادية كما هو معتاد لدى جميع المبرمجين. لا توجد إجابة محددة حول أفضل تنظيم، وقد بدأت العديد من المناقشات في الأوساط الأكاديمية وغير الأكاديمية حول ذلك، لذا نأمل أن تكون قادرًا على اتخاذ قرار بنفسك عندما تتعلم المزيد عن أنظمة التشغيل. الوحدات Modules تطبّق نواة لينكس نظام الوحدات، حيث يمكن تحميل المشغّلات في النواة المشغَّلة مباشرةً كما هو مطلوب، وهذا أمر جيد لأنّ المشغّلات التي تشكّل جزءًا كبيرًا من شيفرة نظام التشغيل لا تُحمَّل للأجهزة غير الموجودة في النظام، كما يمكن لأيّ شخص يريد أن يصنع أكثر نواة عامة ممكنة -أي تعمل على العديد من الأجهزة المختلفة مثل RedHat أو Debian- تضمينَ معظم المشغّلات بوصفها وحدات تُحمَّل فقط إذا احتوى النظام الذي يعمل عليه على العتاد المتاح، لكن تُحمَّل الوحدات مباشرةً في النواة ذات الصلاحيات وتعمل على مستوى الصلاحيات نفسه لبقية أجزاء النواة، لذلك لا يزال يُعَدّ النظام نواةً أحاديةَ. الافتراضية Virtualisation يرتبط مفهوم العتاد الوهمي أو الافتراضي ارتباطًا وثيقًا بالنواة، إذ تُعَدّ الحواسيب الحديثة قوية جدًا، ولا يُفضَّل استخدامها على أساس نظام واحد كامل، وإنما تقسيم الحاسوب الحقيقي الواحد إلى آلات افتراضية منفصلة virtual machines، إذ تبحث كلٌّ من هذه الآلات الافتراضية عن جميع الأهداف والأغراض بوصفها آلة منفصلة تمامًا بالرغم من أنها فيزيائيًا موجودة في المكان نفسه. بعض طرق تطبيق الافتراضية المختلفة يمكن تنظيم الافتراضية بعدة طرق مختلفة، إذ يمكن تشغيل مراقب آلة افتراضية Virtual Machine Monitor صغير مباشرةً على العتاد وتوفير واجهة لأنظمة تشغيل المضيف التي تعمل في الأعلى، ويُطلَق على مراقب الآلة الافتراضية VMM اسم المشرف Hypervisor من الكلمة Supervisor. يشترك المشرف في كثير الأمور مع النواة الدقيقة، كما يسعيان ليكوّنا طبقات صغيرةً لتقديم العتاد بطريقة آمنة عن الطبقات التي تعلوها، ويمكن ألّا يكون لدى نظام التشغيل الموجود في الطبقة العليا أيّ فكرة عن وجود المشرف Hypervisor على الإطلاق، إذ يقدم هذا المشرف ما يبدو أنه نظام كامل، ويعترض العمليات بين نظام التشغيل المضيف والعتاد ويقدّم مجموعةً فرعيةً من موارد النظام لكل منها. يُستخدَم المشرف غالبًا على الأجهزة الكبيرة التي تحتوي على العديد من وحدات المعالجة المركزية والكثير من ذواكر RAM لتطبيق عملية التجزيء Partitioning، وهذا يعني أنه يمكن تقسيم الجهاز إلى أجهزة افتراضية أصغر، كما يمكنك تخصيص المزيد من الموارد لتشغيل الأنظمة حسب المتطلبات، ويُعَدّ المشرفون الموجودون على العديد من أجهزة IBM الكبيرة معقدةً للغاية مع ملايين الأسطر من الشيفرة البرمجية مع توفير العديد من خدمات إدارة النظام. الخيار الآخر هو جعل نظام التشغيل على دراية بالمشرف الأساسي وطلب موارد النظام عبره، إذ يشار إلى ذلك في بعض الأحيان باسم شبه الوهمية Paravirtualisation نظرًا لطبيعته غير المكتملة، وهو مشابه للطريقة التي تعمل بها الإصدارات الأولى من نظام Xen الذي يُعَدّ حلًا وسطًا، إذ توفّر هذه الطريقة أداءً أفضل لأن نظام التشغيل يطلب صراحةً موارد النظام من المشرف عند الحاجة بدلًا من أن يطبّق المشرف الأمور آليًا. أخيرًا، يمكن أن تصادف موقفًا حيث يقدّم التطبيق الذي يعمل على نظام التشغيل الحالي نظامًا وهميًا يتضمن وحدة معالجة مركزية وذاكرةً ونظام BIOS وقرص صلب وغير ذلك، ويمكن تشغيل نظام تشغيل عادي عليه، إذ يحوّل التطبيق الطلبات إلى العتاد ثم إلى العتاد الأساسي عبر نظام التشغيل الحالي، وهذا مشابه لكيفية عمل برنامج VMWare. تتطلب هذه الطريقة تكلفةً أكبر، إذ يتعين على عملية التطبيق محاكاة نظام بأكمله وتحويل كل شيء إلى طلبات من نظام التشغيل الأساسي، ولكنها تتيح محاكاةً معماريةً مختلفةً تمامًا، إذ يمكنك ترجمة التعليمات آليًا من نوع معالج إلى آخر كما يفعل نظام روزيتا Rosetta مع برمجيات Apple التي انتقلت من معالج PowerPC إلى المعالجات القائمة على إنتل Intel. يُعَدّ الأداء مصدر قلق كبير عند استخدام أيّ من تقنيات الوهمية، إذ يجب أن تمر العمليات -التي كانت تُعَدّ سابقًا عمليات سريعةً ومباشرةً على العتاد- عبر طبقات التجريد. ناقشت شركة إنتل Intel دعم العتاد للوهمية لتكون موجودةً في أحدث معالجاتها، إذ تعمل هذه التوسعات من خلال رفع استثناء خاص للعمليات التي يمكن أن تتطلب تدخّل مراقب الآلة الافتراضية، وبالتالي فإن المعالج يشبه المعالج غير الافتراضي الخاص بالتطبيق الذي يعمل عليه، ولكن يمكن استدعاء مراقب الآلة الافتراضية عندما يقدّم هذا التطبيق طلبات للحصول على موارد يمكن مشاركتها بين أنظمة تشغيل المضيف الأخرى. يوفّر ذلك أداءً فائقًا لأنّ مراقب الآلة الافتراضية لا يحتاج إلى مراقبة كل عملية لمعرفة ما إذا كانت آمنةً، ولكن يمكنه الانتظار حتى يُعلِم المعالج بحدوث شيء غير آمن. القنوات السرية Covert Channels إذا لم يكن تقسيم النظام ساكنًا وإنما آليًا، فهناك مشكلة أمنية محتملة متضمنة في النظام ويُعَدّ هذا عيبًا أمنيًا يتعلق بالآلات الافتراضية. تُخصَّص الموارد لأنظمة التشغيل التي تعمل في الطبقة العليا حسب الحاجة في النظام الآلي، وبالتالي إذا كان أحد هذه الأنظمة ينفّذ عمليات مكثفةً لوحدة المعالجة المركزية بينما ينتظر النظام الآخر وصول البيانات من الأقراص الصلبة، فستُمنَح المهمة الأولى مزيدًا من طاقة وحدة المعالجة المركزية، في حين سيحصل كل منهما على 50% من طاقة وحدة المعالجة المركزية في النظام الساكن، وسيُهدَر الجزء غير المستخدَم. يفتح التخصيص الآلي قناة اتصال بين نظامَي التشغيل التي تكون كافيةً للتواصل في نظام ثنائي في أيّ مكان يمكن الإشارة فيه إلى تلك الحالتين، لكن تخيل أنّ كلا النظامين آمنان جدًا، ولا ينبغي أن تكون أيّ معلومات قادرةً على المرور بينهما على الإطلاق، كما يمكن أن يتآمر شخصان لديها إذن وصول لتمرير المعلومات فيما بينهما من خلال كتابة برنامجين يحاولان أخذ كميات كبيرة من الموارد في الوقت نفسه. إذا أخذ أحدهما مساحةً كبيرةً من الذاكرة، فسيكون هناك قدر أقل من المساحة المتاحة للآخر؛ أما إذا تعقّبا الحد الأقصى من التخصيصات، فيمكن نقل القليل من المعلومات فقط، ولنفترض أنهما اتفقا على التحقق في كل ثانية مما إذا كان بإمكانهما تخصيص هذا القدر الكبير من الذاكرة، فإذا كان الطرف الهدف قادرًا على ذلك، فستُعَدّ هذه الحالة 0 ثنائيًا، وإذا لم يستطع ذلك -أيّ أن الجهاز الآخر يحتوي على كل الذاكرة-، فستُعَدّ هذه الحالة 1 ثنائيًا، كما أنه ليس معدل البيانات المُقدَّر ببت واحد في الثانية مذهلًا، ولكن هذا يدل على وجود تدفق للمعلومات. يسمى ذلك بالقناة السرية Covert Channel، وهذا يظهِر أنّ الأمور ليست بهذا البساطة على مبرمج الأنظمة بالرغم من وجود أمثلة عن انتهاكات أمنية في مثل هذه الآليات. مجال المستخدم نسمي المكان الذي يشغِّل فيه المستخدِم البرامج باسم مجال المستخدِم Userspace، إذ يعمل كل برنامج في مجال مستخدِم، ويتواصل مع النواة عبر استدعاءات النظام التي سنوضحّها في المقال القادم، كما لا يتمتع مجال المستخدِم بصلاحيات Unprivileged، إذ يمكن لبرامج المستخدِم تطبيق مجموعة محدودة فقط من الأشياء، ويجب ألّا تكون قادرةً على تعطيل البرامج الأخرى حتى إذا تعطلت هي نفسها. ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين Operating System Organisation و The role of the operating system من الفصل The Operating System من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب المقال التالي: استدعاءات النظام والصلاحيات في نظام التشغيل المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب اختيار العتاد والبرامج في العالم الرقمي النسخة العربية الكاملة من كتاب أنظمة التشغيل للمبرمجين

نَمت قوة الحوسبة بوتيرة سريعة دون ظهور أيّ علامات على التباطؤ كما توقّع قانون مور Moore، فليس مألوفًا أن تحتوي أيّ خوادم عالية الجودة على وحدة معالجة مركزية واحدة فقط مع إمكانية تحقيق ذلك باستخدام عدد من الأساليب المختلفة. المعالجة المتعددة المتماثلة Symmetric Multi-Processing تُعَدّ المعالجة المتعددة المتماثلة Symmetric Multi-Processing -أو SMP اختصارًا- الإعداد الأكثر شيوعًا حاليًا لتضمين وحدات المعالجة المركزية CPU المتعددة في نظام واحد، ويشير المصطلح متماثل Symmetric إلى حقيقة أنّ جميع وحدات المعالجة المركزية في النظام هي نفسها من حيث المعمارية وسرعة الساعة مثلًا، كما توجد في نظام SMP معالجات متعددة تشترك في جميع موارد النظام الأخرى مثل الذاكرة والقرص الصلب وغير ذلك. ترابط الذواكر المخبئية Cache Coherency تعمل وحدات المعالجة المركزية في النظام بصورة مستقلة عن بعضها بعضًا، فلكل منها مجموعته الخاصة من المسجلات وعدّاد البرنامج وغير ذلك، ولكن يوجد مكوِّن واحد يتطلب تزامنًا صارمًا بالرغم من تشغيل وحدات المعالجة المركزية بصورة منفصلة عن بعضها بعضًا، وهذا المكوِّن هو الذاكرة المخبئية Cache الخاصة بوحدة المعالجة المركزية. تذكّر أنّ الذاكرة المخبئية هي مساحة صغيرة من الذاكرة يمكن الوصول إليها بسرعة وتعكس القيم المخزّنة في ذاكرة النظام الرئيسية، فإذا عدّلت إحدى وحدات المعالجة المركزية البيانات في الذاكرة الرئيسية وكان لدى وحدة معالجة مركزية أخرى نسخة قديمة من تلك الذاكرة في ذاكرتها المخبئية، فلن يكون النظام في حالة متناسقة، ولاحظ أنّ هذه المشكلة تحدث عندما تكتب المعالجات في الذاكرة فقط، إذ ستكون البيانات متناسقةً إذا كانت القيمة للقراءة فقط. يستخدِم نظام SMP عملية التنصت Snooping لتنسيق الحفاظ على ترابط الذواكر المخبئية على جميع المعالجات، إذ يُعَدّ التنصت العمليةَ التي يستمع فيها المعالج إلى ناقل تتصل به جميع المعالجات لمعرفة أحداث الذاكرة المخبئية، ثم يحدّث الذاكرة المخبئية وفقًا لذلك. يمكن تحقيق ذلك باستخدام بروتوكول واحد هو بروتوكول MOESI الذي يرمز إلى الكلمات مُعدَّل Modified ومالك Owner وحصري Exclusive ومشارَك Shared وغير صالح Invalid التي تمثّل الحالة التي يمكن أن يكون فيها خط الذاكرة المخبئية على معالج في النظام، كما توجد بروتوكولات أخرى لذلك، ولكن تشترك جميعها في مفاهيم متشابهة، وسنوضح فيما يلي بروتوكول MOESI. إذا طلب المعالج قراءة خط ذاكرة مخبئية من الذاكرة الرئيسية، فيجب عليه أولًا التنصت على جميع المعالجات الأخرى في النظام لمعرفة ما إذا كانت تعرف حاليًا أيّ شيء عن تلك المنطقة من الذاكرة مثل تخزينها في الذاكرة المخبئية، فإذا لم تكن موجودةً في أيّ عملية أخرى، فيمكن للمعالج تحميل الذاكرة في الذاكرة المخبئية وتمييزها على أنها حصرية Exclusive، ويغير الحالة إلى معدَّلة Modified عند الكتابة في الذاكرة المخبئية. تلعب هنا تفاصيل الذاكرة المخبئية دورًا أساسيًا، إذ ستعيد بعض الذواكر المخبئية مباشرةً كتابة الذاكرة المخبئية المعدَّلة إلى ذاكرة النظام المعروفة باسم الذاكرة المخبئية من النوع Write-through، لأن عمليات الكتابة تنتقل إلى الذاكرة الرئيسية، في حين لن تفعل ذلك الذواكر المخبئية الأخرى، بل ستترك القيمة المُعدَّلة في الذاكرة المخبئية فقط حتى التخلص منها عندما تمتلئ الذاكرة المخبئية مثلًا. الحالة الأخرى هي المكان الذي يطبّق فيه المعالج عملية التنصت ويكتشف أن القيمة موجودة في ذاكرة مخبئية خاصة بمعالجات أخرى، فإذا كانت هذه القيمة مميَّزةً بوصفها مُعدَّلةً Modified، فسينسخ المعالج البيانات في ذاكرته المخبئية ويميّزها على أنها مشتركة Shared، كما سيرسل رسالةً إلى المعالج الآخر الذي حصلنا على البيانات منه لتمييز خط ذاكرته المخبئية بوصفه المالك Owner، لنفترض الآن أن معالجًا ثالثًا في النظام يريد استخدام تلك الذاكرة أيضًا، فسيتنصت ويبحث عن نسخة مشتركة ونسخة مالكة، وبالتالي سيأخذ قيمته من قيمة المالك. تقرأ جميع المعالجات الأخرى القيمة فقط، ولكن يبقى خط الذاكرة المخبئية مشتركًا في النظام، فإذا احتاج معالج ما تحديث القيمة، فإنه يرسل رسالة إلغاء صلاحية Invalidate عبر النظام، كما يجب على أيّ معالج له هذا الخط الخاص بالذاكرة المخبئية تمييزه بوصفه غير صالح Invalid لأنه لم يَعُد يعكس القيمة الحقيقية، ويميز المعالج خط الذاكرة المخبئية بوصفه معدَّلًا في ذاكرته المخبئية عندما يرسل رسالة إلغاء الصلاحية وستميّزه المعالجات الأخرى على أنه غير صالح. لاحظ أنه إذا كان خط الذاكرة المخبئية حصريًا، فسيعلم المعالج أنه لا يوجد معالج آخر يعتمد عليه، لذا يمكنه تجنّب إرسال رسالة إلغاء صلاحية، وتبدأ بعدها العملية من جديد، وبالتالي يتحمل أيُّ معالج له القيمة المعدّلة مسؤوليةَ كتابة القيمة الحقيقية مرةً أخرى إلى الذاكرة RAM عند التخلص منها من الذاكرة المخبئية، ولاحظ أنّ هذا البروتوكول يضمن تناسق خط الذاكرة المخبئية بين المعالجات. هناك العديد من المشاكل في هذا النظام عند زيادة عدد المعالجات، إذ يمكن التحكم في تكلفة التحقق من وجود معالج آخر يحتوي على خط ذاكرة مخبئية (التنصت على عملية القراءة) أو إلغاء صلاحية البيانات في كل معالج آخر (إلغاء عملية التنصت) عند استخدام عدد قليل من المعالجات، ولكن تزداد حركة النواقل مع زيادة عدد المعالجات وهذا هو السبب في أن أنظمة SMP تصل إلى حوالي 8 معالجات فقط. يعطي وجود جميع المعالجات في الناقل نفسه مشاكل فيزيائية أيضًا، إذ تسمح خصائص الأسلاك الفيزيائية بوضعها على مسافات معينة من بعضها بعضًا وتسمح بأن يكون لها أطوال معينة فقط، وتبدأ سرعة الضوء في أن تصبح أحد الجوانب التي يجب مراعاتها في المدة التي تستغرقها الرسائل للتنقل في النظام مع المعالجات التي تعمل بسرعة مقدَّرةً بالجيجاهيرتز. لاحظ أنّ برمجيات النظام ليس لها أيّ جزء من هذه العملية، بالرغم من أنّ المبرمجين يجب أن يكونوا على دراية بما يطبّقه العتاد استجابةً للبرمجيات التي يصمّمونها لزيادة الأداء إلى الحد الأقصى. حصرية الذاكرة المخبئية في أنظمة SMP شرحنا في مقال سابق الذواكر المخبئية الشاملة Inclusive والحصرية Exclusive، إذ تكون الذواكر المخبئية L1 شاملةً، أي أن جميع البيانات الموجودة في الذاكرة المخبئية L1 موجودة في الذاكرة المخبئية L2، وتعني الذاكرة المخبئية L1 الشاملة أنّ الذاكرة المخبئية L2 يجب أن تتنصت حركة مرور الذاكرة للحفاظ على ترابطها في نظام متعدد المعالجات، إذ ستضمن L1 عكس أيّ تغييرات في الذاكرة L2، مما يقلل من تعقيد ذاكرة L1 ويفصله عن عملية التنصت، وبالتالي سيسمح لها بأن تكون أسرع. تحتوي معظم المعالجات الحديثة المتطورة مثل المعالجات التي ليست مدمَجة على سياسة كتابة الذاكرة المخبئية L1 من النوع Write-through وسياسة الكتابة من النوع Write-back في الذواكر المخبئية ذات المستوى الأدنى، وهناك عدة أسباب لذلك، فبما أنّ ذواكر L2 المخبئية في هذا الصنف من المعالجات تكون حصريةً تقريبًا على الشريحة وسريعةً جدًا عمومًا، فليست العقوبات المفروضة على كتابة الذاكرة المخبئية L1 من النوع Write-through الأمر الرئيسي، كما يمكن أن تتسبّب مجمّعات البيانات المكتوبة التي لا يُحتمَل قراءتها في المستقبل في تلوث مورد L1 المحدود لأن أحجام L1 صغيرة. ليس هناك داع للقلق بشأن الكتابة في L1 من النوع Write-through إذا احتوت على بيانات متسخة معلَّقة، وبالتالي يمكن أن تمرّر منطق الترابط الإضافي إلى ذاكرة L2 التي لديها دور أكبر تلعبه في ترابط الذاكرة المخبئية. تقنية خيوط المعالجة الفائقة Hyperthreading يمكن أن يقضي المعالج الحديث كثيرًا من وقته في انتظار أجهزة أبطأ بكثير في تسلسل الذواكر الهرمي لتقديم البيانات للمعالجة، وبالتالي فإن إستراتيجيات الحفاظ على خط أنابيب المعالج ممتلئًا لها أهمية قصوى، وتتمثل إحدى الإستراتيجيات في تضمين عدد كاف من المسجلات ومنطق الحالة بحيث يمكن معالجة مجريين من التعليمات في الوقت نفسه، مما يجعل وحدة معالجة مركزية واحدة تبحث عن جميع النوايا والأهداف المطلوبة كأنها وحدتان CPU. تحتوي كل وحدة معالجة مركزية على مسجلاتها الخاصة، ولكن يجب عليها مشاركة منطق المعالج الأساسي والذاكرة المخبئية وحيز النطاق التراسلي للإدخال والإخراج من وحدة المعالجة المركزية إلى الذاكرة، لذا يمكن أن يحافظ مجريان من التعليمات على المنطق الأساسي للمعالج أكثر انشغالًا، ولكن لن تكون زيادة الأداء كبيرةً بسبب وجود وحدتَي CPU منفصلتين فيزيائيًا، ويكون تحسين الأداء أقل من 20%، ولكن يمكن أن يكون أفضل أو أسوأ كثيرًا اعتمادًا على الحِمل. الأنوية المتعددة Multi Core أصبح وضع معالِجَين أو أكثر في الحزمة الفيزيائية نفسها ممكنًا مع زيادة القدرة على احتواء مزيد من الترانزستورات على شريحة واحدة، ولكن المعالجات الأكثر شيوعًا هي المعالجات ثنائية النواة، إذ توجد نواتان للمعالج على الشريحة نفسها، وتُعَدّ هذه الأنوية -على عكس تقنية خيوط المعالجة الفائقة Hyperthreading- معالجات كاملةً، وبالتالي تبدو على أنها معالجات منفصلة فيزيائيًا مثل نظام SMP. تحتوي المعالجات على ذاكرة L1 المخبئية الخاصة بها، ولكن يجب عليها مشاركة الناقل المتصل بالذاكرة الرئيسية وأجهزة أخرى، وبالتالي لن يكون الأداء جيدًا مثل نظام SMP الكامل، ولكنه أفضل بكثير من نظام خيوط المعالجة الفائقة، ويمكن لكل نواة تطبيق تقنية خيوط المعالجة الفائقة لتحسين إضافي. تتمتع المعالجات متعددة الأنوية ببعض المزايا التي لا تتعلق بالأداء، كما أنّ للناقلات الفيزيائية الخارجية بين المعالجات حدود فيزيائية، ولكن يمكن حل بعض هذه المشاكل من خلال احتواء المعالجات على قطعة السيليكون نفسها بحيث تكون قريبةً جدًا من بعضها بعضًا. تُعَدّ متطلبات الطاقة للمعالجات متعددة الأنوية أقل بكثير من المعالجات المنفصلة عن بعضها بعضًا، وهذا يعني أن هناك حاجة أقل لتبريد الحرارة والتي يمكن أن تكون ميزةً كبيرةً في تطبيقات مراكز البيانات حيث تُجمَّع الحواسيب مع وجود حاجة كبيرة للتبريد، كما يجعل وجود الأنوية في الحزمة الفيزيائية نفسها المعالجةَ المتعددة عمليةً في التطبيقات التي لن تكون فيها كذلك مثل الحواسيب المحمولة، كما يُعَدّ إنتاج شريحة واحدة بدلًا من شريحتين أرخص بكثير. العناقيد Clusters تتطلب العديد من التطبيقات أنظمةً أكبر بكثير من عدد المعالجات التي يمكن لنظام SMP التوسع إليها، وتُعَدّ العناقيد Clusters إحدى الطرق لتوسيع النظام أكثر، وهي عدد من الحواسيب التي لديها بعض القدرة على التواصل مع بعضها بعضًا، كما لا تعرف الأنظمة بعضها بعضًا على مستوى العتاد، إذ تُترَك مهمة ربط هذه الحواسيب للبرمجيات. تسمح البرمجيات مثل MPI للمبرمجين بكتابة برامجهم ثم وضع أجزاء منها على حواسيب أخرى في النظام مثل تمثيل حلقة تُنفَّذ عدة آلاف من المرات وتطبّق إجراءً مستقلًا، أي لا يوجد تكرار للحلقة يؤثر على أيّ تكرار آخر، ويمكن للبرمجيات جعل كل حاسوب يشغّل 250 حلقة لكل منها مع وجود أربعة حواسيب في العنقود. يختلف الترابط بين الحواسيب، إذ يمكن أن يكون بطيئًا مثل روابط شبكة الإنترنت أو سريعًا مثل الناقلات المخصَّصة والخاصة مثل روابط إنفيني باند Infiniband، ومهما كان هذا الترابط، فسيبقى في المستوى الأخفض من تسلسل الذواكر الهرمي وسيكون أبطأ بكثير من الذاكرة RAM، وبالتالي لن يقدّم العنقود أداءً جيدًا في الموقف الذي تتطلب فيه كل وحدة معالجة مركزية الوصول إلى البيانات المُخزَّنة في الذاكرة RAM الخاصة بحاسوب آخر، إذ ستحتاج البرمجيات في كل مرة أن تطلب نسخةً من البيانات من الحاسوب الآخر، وتنسخها عبر الرابط البطيء إلى الذاكرة RAM المحلية قبل أن يتمكن المعالج من إنجاز أيّ عمل. لا تتطلب العديد من التطبيقات هذا النسخ المستمر بين الحواسيب، وأحد الأمثلة الشائعة عن ذلك هو SETI@Home، إذ تُحلَّل البيانات التي جرى جمعها من هوائي راديو بحثًا عن علامات على وجود كائن فضائي، ويمكن توزيع كل حاسوب لبضع دقائق للحصول على البيانات لتحليلها ويعطي تقريرًا ملخصًا لما وجده، إذ يُعَدّ SETI@Home عنقودًا مخصَّصًا وكبيرًا جدًا. يوجد تطبيق آخر هو تطبيق تصيير الصور Rendering of Images الذي يُستخدَم خاصةً للتأثيرات الخاصة في الأفلام، إذ يُسلَّم كل حاسوب إطارًا واحدًا من الفيلم يحتوي على نماذج إطارات شبكية وخامات Textures ومصادر إضاءة يجب دمجها أو تصييرها في التأثيرات الخاصة المذهلة التي نحصل عليها، كما يُعَدّ كل إطار ساكنًا، لذلك لا يحتاج الحاسوب بمجرد حصوله على الدخل الأولي لمزيد من الاتصال حتى يصبح الإطار النهائي جاهزًا لإرساله ودمجه في الحركة، فقد كان لفيلم سيد الخواتم مثلًا تأثيرات خاصة مصيَّرة على عنقود ضخم يعمل بنظام لينكس. الوصول غير الموحد للذاكرة Non-Uniform Memory Access يُعَدّ الوصول غير الموحد للذاكرة Non-Uniform Memory Access -أو NUMA اختصارًا- عكس نظام العناقيد السابق تقريبًا، ولكنه -كما هو الحال في نظام العنقود- يتكون من عقد فردية مرتبطة ببعضها بعضًا، إلا أنّ الارتباط بين العقد شديد التخصص ومكلف، ولا يمتلك العتاد أيّ معرفة بالربط بين العقد في نظام العنقود، في حين لا تمتلك البرمجيات في نظام NUMA معرفةً جيدةً أو تمتلك معرقةً أقل حول تخطيط النظام، إذ يطبّق العتاد كل العمل لربط العقد مع بعضها بعضًا. يأتي مصطلح الوصول غير الموحّد إلى الذاكرة من حقيقة أن الذاكرة RAM ليست محلية بالنسبة لوحدة المعالجة المركزية، وبالتالي يمكن أن هناك حاجة لأن تصل عقدة على بعد مسافة ما إلى البيانات، إذ يستغرق ذلك وقتًا أطول على النقيض من معالج واحد أو نظام SMP حيث يمكن الوصول إلى الذاكرة RAM مباشرةً، ويستغرق ذلك دائمًا وقتًا ثابتًا أو موحّدًا. تخطيط نظام NUMA يُعَدّ تقليل المسافة بين العقد أمرًا بالغ الأهمية مع وجود العديد من العقد التي تتواصل مع بعضها في النظام، إذ يُفضَّل أن يكون لكل عقدة رابط مباشر بكل عقدة أخرى لأنه يقلّل المسافة التي تحتاجها أيّة عقدة للعثور على البيانات، لكن لا يُعَدّ ذلك موقفًا عمليًا عندما ينمو عدد العقد إلى المئات والآلاف كما هو الحال مع الحواسيب العملاقة الكبيرة، فالأساس في هذا النمو هو مجموعة مؤلفة من عقدتين تتواصلان مع بعضهما بعضًا ثم ستنمو إلى n!/2*(n-2)!‎. تُستخدَم التخطيطات البديلة لمقايضة المسافة بين العقد مع الوصلات المطلوبة بهدف التقليل من هذا النمو الأسي، فأحد هذه التخطيطات الشائعة في معماريات NUMA الحديثة هو المكعب الفائق Hypercube الذي يحتوي على تعريف رياضي صارم، ويكون المكعب الفائق هو نظير رباعي الأبعاد للمكعب الذي هو نظير ثلاثي الأبعاد للمربع. مثال عن المكعب الفائق Hypercube الذي يوفر مقايضةً جيدةً بين المسافة بين العقد وعدد الوصلات المطلوب. يمكننا أن نرى في الشكل السابق أن المكعب الخارجي يحتوي على 8 عقد، والحد الأقصى لعدد المسارات المطلوبة لأي عقدة للتواصل مع عقدة أخرى هو 3، فإذا وضعنا مكعبًا آخر داخل هذا المكعب، فسيكون لدينا ضعف عدد المعالجات ولكن زادت التكلفة القصوى للمسار إلى 4، مما يعني نمو تكلفة المسار القصوى خطيًا فقط عند نمو عدد المعالجات بمقدار 2‎n‎‎‎. ترابط الذاكرة المخبئية Cache Coherency لا يزال الحفاظ على ترابط الذاكرة المخبئية في نظام NUMA ممكنًا، إذ يشار إلى ذلك باسم نظام NUMA مع ترابط الذاكرة المخبئية Cache Coherent NUMA System أو ccNUMA اختصارًا، ولا يتوسّع المخطط القائم على البث الإذاعي المُستخدَم للحفاظ على ترابط ذاكرة المعالج المخبئية في نظام SMP إلى مئات أو حتى آلاف المعالجات في نظام NUMA كبير. يشار إلى أحد المخططات الشائعة لترابط الذاكرة المخبئية في نظام NUMA باسم النموذج المستند إلى الدليل Directory Based Model الذي تتصل فيه المعالجات الموجودة في النظام بعتاد دليل الذاكرة المخبئية، إذ يحافظ عتاد الدليل على صورة متناسقة لكل معالج، كما يخفي هذا التجريد عمل نظام NUMA عن المعالج. يحتفظ المخطط المستند إلى الدليل لصاحبيه Censier و Feautrier بدليل مركزي، إذ تحتوي كل كتلة ذاكرة على بِت راية يُعرَف بالبِت الصالح Valid Bit لكل معالج وبِت واحد يُسمَّى بالبِت المتسخ Dirty Bit، ويضبط الدليل البِت الصالح للمعالج الذي يقرأ الذاكرة إلى ذاكرته المخبئية. إذا أراد المعالج الكتابة إلى خط الذاكرة المخبئية، فيجب أن يضبِط الدليل البِتَّ المتسخ لكتلة الذاكرة من خلال إرسال رسالة إلغاء صلاحية إلى تلك المعالجات التي تستخدِم خط الذاكرة المخبئية والمعالجات التي جرى ضبط رايتها فقط بهدف تجنب حركة مرور البث broadcast traffic. يجب بعد ذلك أن يحاول أيّ معالج آخر قراءة كتلة الذاكرة، وسيجد الدليل ضبط البِت المتسخ، كما يجب أن يحصل الدليل على خط الذاكرة المخبئية المُحدَّث من المعالج مع البِت الصالح المضبوط حاليًا، ويعيد كتابة البيانات المتسخة إلى الذاكرة الرئيسية ثم إعادة هذه البيانات إلى المعالج المطلوب، مما يؤدي إلى ضبط البِت الصالح للمعالج الطالب في هذه العملية، ولاحظ أنّ هذا الأمر واضح للمعالج الطالب ويمكن أن يحتاج الدليل الحصول على تلك البيانات من مكان قريب جدًا أو من مكان بعيد جدًا. لا يمكن أن يتوسع المخطط المؤلَّف من آلاف المعالجات التي تتصل بدليل واحد بصورة جيدة، إذ تتضمن توسّعات المخطط وجود تسلسل هرمي من الدلائل التي تتواصل فيما بينها باستخدام بروتوكول منفصل، كما يمكن أن تستخدِم الدلائل شبكة اتصالات ذات أغراض أعم للتواصل فيما بينها بدلًا من ناقل وحدة المعالجة المركزية، مما يسمح بالتوسع إلى أنظمة أكبر بكثير. تطبيقات NUMA تُعَدّ أنظمة NUMA الأنسب لأنواع المشاكل التي تتطلب قدرًا كبيرًا من التفاعل بين المعالج والذاكرة، فمن المصطلحات الشائعة في محاكاة الطقس مثلًا هو تقسيم البيئة إلى صناديق صغيرة تستجيب بطرق مختلفة، بحيث تعكس المحيطات والأرض أو تخزن كميات مختلفة من الحرارة مثلًا، ويجب تغذية الاختلافات الصغيرة لمعرفة النتيجة الإجمالية أثناء تشغيل عمليات المحاكاة. يؤثر كل صندوق على الصناديق المحيطة، إذ يعني وجود الشمس أكثر قليلًا مثلًا أنّ صندوقًا معينًا ينشر مزيدًا من الحرارة مما يؤثر على الصناديق المجاورة له، ولكن سيكون هناك الكثير من الاتصالات على عكس إطارات الصور الفردية في عملية التصيير Rendering التي لا تؤثر على بعضها، كما يمكن أن تحدث عمليةً مماثلةً إذا أردت تصميم نموذج لحادث سيارة، حيث سيُطوى كل صندوق صغير من السيارة التي تحاكيها بطريقة ما وسيمتص قدرًا من الطاقة. ليس للبرمجيات معرفة مباشرة بأن النظام الأساسي هو نظام NUMA، ولكن يجب أن يتوخّى المبرمجون الحذر عند البرمجة لهذا النظام للحصول على أفضل أداء، وسيؤدي الاحتفاظ بالذاكرة بالقرب من المعالج الذي سيستخدِمها إلى أفضل أداء، ولكن يجب أن يستخدِم المبرمجون تقنيات مثل التشخيص Profiling لتحليل مسارات الشيفرة البرمجية المتّبَعة والعواقب التي تسببها الشيفرة البرمجية للنظام لاستخراج أفضل أداء. ترتيب الذاكرة وقفلها تجلب الذاكرة المخبئية متعددة المستويات والمعمارية متعددة المعالجات الفائقة بعض المشاكل المتعلقة بكيفية رؤية المبرمج لشيفرة المعالج البرمجية التي تكون قيد التشغيل. لنفترض أنّ شيفرة البرنامج البرمجية تعمل على معالجَين في الوقت نفسه، وأنّ كلا المعالجين يشتركان بفعالية في منطقة واحدة كبيرة من الذاكرة، فإذا أصدر أحد المعالجَين تعليمات تخزين لوضع قيمة مسجّل في الذاكرة، فلا بد أنك تتساءل عن الوقت الذي يمكن فيه التأكد من أن المعالج الآخر يحمّل تلك الذاكرة التي سيرى قيمتها الصحيحة. يمكن للنظام في أبسط الحالات أن يضمن أنه في حالة تنفيذ أحد البرامج لتعليمات التخزين، وبالتالي سترى أيّ تعليمات تحميل لاحقة هذه القيمة، إذ يُشار إلى ذلك باسم ترتيب الذاكرة الصارم Strict Memory Ordering، لأن القواعد لا تسمح بأيّ مجال للحركة، كما يجب أن تدرك أنّ هذا النوع من الأشياء يُعَدّ عائقًا خطيرًا أمام أداء النظام. لا يُطلَب من ترتيب الذاكرة أن يكون صارمًا جدًا في كثير من الأحيان، إذ يمكن للمبرمج تحديد النقاط التي يحتاجها للتأكد من رؤية جميع العمليات المُعلَّقة بطريقة عامة، ولكن يمكن أن يكون هناك العديد من التعليمات من بين هذه النقاط حيث لا تكون الدلالات Semantics مهمة، ولنفترض الموقف التالي مثلًا الذي يمثل ترتيب الذاكرة: typedef struct { int a; int b; } a_struct; /* * مرّر مؤشرًا لتخصيصه بوصفه بنيةً جديدةً */ void get_struct(a_struct *new_struct) { void *p = malloc(sizeof(a_struct)); /* لا نهتم بترتيب التعليمتين التاليتين * اللتين ستُنفَّذان في النهاية */ p->a = 100; p->b = 150; /* .لكن يجب أن تُنفَّذا قبل التعليمة التالية * p وإلّا فسيتمكن معالج آخر ينظر إلى قيمة * .من أن يجدها تؤشّر إلى بنية قيمها غير مملوءة */ new_struct = p; } لدينا في هذا المثال عمليتَي تخزين يمكن تطبيقهما بأيّ ترتيب معيّن بما يناسب المعالج، ولكن يجب في الحالة الأخيرة تحديث المؤشر فقط بمجرد التأكد من اكتمال عمليتَي التخزين السابقتين، وإلّا فيمكن أن ينظر معالج آخر إلى قيمة p ويتبع المؤشر إلى الذاكرة ويحمّلها ويحصل على قيمة غير صحيحة تمامًا، لذا يجب أن تحتوي عمليات التحميل والتخزين على دلالات تصف سلوكها. توصَف دلالات الذاكرة من حيث الأسوار Fences التي تحدّد كيفية إعادة ترتيب عمليات التحميل والتخزين، كما يمكن افتراضيًا إعادة طلب عملية التحميل أو التخزين في أيّ مكان، ويشبه اكتساب الدلالات Acquire Semantics السورَ الذي يسمح فقط لعمليات التحميل والتخزين بالتحرك للأسفل عبره، أي يمكنك ضمان أنّ أيّ عملية تحميل أو تخزين لاحقة سترى القيمة -لأنه لا يمكن نقلها فوقها- عند اكتمال هذا التحميل أو التخزين. يُعَدّ تحرير الدلالات Release Semantics عكس ذلك، أي يسمح السور بأي عملية تحميل أو تخزين أن تكتمل قبله -أي التحرك للأعلى-، ولكن لا يوجد شيء قبلها للتحرك للأسفل. وبالتالي يمكنك تخزين أيّ عملية تحميل أو تخزين سابقة مكتملة عند معالجة التحميل أو التخزين باستخدام تحرير الدلالات. رسم توضيحي يمثّل عمليات إعادة الترتيب الصالحة للعمليات باستخدام اكتساب الدلالات وتحريرها سور الذاكرة الكامل full memory fence هو مزيج من اكتساب الدلالات وتحريرها، حيث لا يمكن إعادة ترتيب عمليات التحميل أو التخزين في أيّ اتجاه حول عملية التحميل أو التخزين الحالية، كما يستخدِم نموذج الذاكرة الأكثر صرامة سور ذاكرة كامل لكل عملية، في حين سيترك النموذج الأضعف كل عملية تحميل وتخزين على أساس تعليمات عادية قابلة لإعادة الترتيب. المعالجات ونماذج الذاكرة تطبّق المعالجات المختلفة نماذج ذاكرة مختلفة، إذ يحتوي معالج x86 ومعالج AMD64 على نموذج ذاكرة صارم تمامًا، حيث تحتوي جميع عمليات التخزين على تحرير دلالات، أي يجب أن ترى أيّة عملية تحميل أو تخزين لاحقة نتيجةَ عملية التخزين، ولكن جميع عمليات التحميل لها دلالات عادية، كما تعطي بادئة القفل سورًا للذاكرة، في حين يسمح المعالج إيتانيوم Itanium لجميع عمليات التحميل والتخزين بأن تكون عاديةً ما لم يُجرَى إخباره صراحةً بغير ذلك. القفل ليست معرفة متطلبات ترتيب الذاكرة لكل معمارية عمليةً ومناسبةً لجميع المبرمجين وسيجعل ذلك نقل البرامج وتنقيحها عبر أنواع المعالجات المختلفة أمرًا صعبًا، إذ يستخدِم المبرمجون مستوًى أعلى من التجريد يسمى القفل Locking للسماح بالتشغيل المتزامن للبرامج عندما يكون هناك وحدات معالجة مركزية متعددة، كما لا يمكن لأيّ معالج آخر الحصول على القفل حتى يُحرَّر عندما يحصل برنامج ما عليه لجزء من شيفرة برمجية، كما يجب أن يحاول المعالج أخذ القفل قبل أيّ أجزاء مهمة من الشيفرة البرمجية، فإذا لم يستطع الحصول عليه، فلن يستمر في عمله. يمكنك رؤية كيف أنّ ذلك مقيَّد بتسمية دلالات ترتيب الذاكرة الموضَّحة سابقًا، كما نريد التأكد من أنه لن يُعاد طلب أيّ عمليات يجب أن يحميها القفل قبل الحصول عليه، وهذه هي الطريقة التي تعمل بها عملية اكتساب الدلالات، في حين يجب التأكد من أنّ كل عملية طبّقناها أثناء احتفاظنا بالقفل مكتملة عندما نحرره مثل مثال تحديث المؤشر الموضَّح سابقًا، وهذا ما يسمى بتحرير الدلالات. هناك العديد من المكتبات البرمجية المتاحة التي تسمح للمبرمجين بعدم القلق بشأن تفاصيل دلالات الذاكرة واستخدام المستوى الأعلى من تجريد القفل lock()‎ وإلغاء القفل unlock()‎. صعوبات الأقفال تجعل أنظمة القفل البرمجة أكثر تعقيدًا، إذ يمكنها أن تؤدي إلى تعطيل البرامج، ولنفترض أنّ معالجًا ما يحتفظ بقفل على بعض البيانات، وينتظر قفلًا على بيانات أخرى حاليًا، فإذا انتظر معالج آخر البيانات التي يحتفظ بها المعالج الأول وكان قبل ذلك وقبل دخوله في حالة قفل يحتفظ ببيانات يريدها المعالج الأول ذاك لفك قفله، فسنواجه حالة تعطل تام، بحيث ينتظر كل معالج المعالج الآخر ولا يمكن لأيّ منهما الاستمرار بدون قفل المعالج الآخر. ينشأ هذا الموقف بسبب حالة التسابق Race Condition في أغلب الأحيان التي تُعَدّ إحدى أصعب الأخطاء التي يمكن تعقّبها، فإذا كان هناك معالِجان يعتمدان على عمليات تحدث بترتيب معيّن في الوقت، فهناك دائمًا احتمال حدوث حالة تسابق، كما يمكن أن تصطدم أشعة جاما المنبعثة من نجم متفجر في مجرة أخرى بأحد المعالجات، مما يؤدي إلى الخروج عن ترتيب العمليات، ثم ستحدث حالة تعطل تام كما رأينا سابقًا، لذا يجب ضمان ترتيب البرامج باستخدام الدلالات وليس عبر الاعتماد على سلوكيات محددة لمرة واحدة. يوجد وضع مماثل يسمى المنع Livelock وهو عكس التعطل Deadlock، إذ يمكن أن تكون إحدى الاستراتيجيات لتجنب التعطل أن يكون لديك قفل مؤدب Polite يرفض إعطاء القفل لكل مَن يطلبه، وقد يتسبب هذا القفل المؤدّب في جعل خيطين Threads يمنحان بعضهما القفل باستمرار دون الحاجة إلى أخذ القفل لفترة كافية لإنجاز العمل المهم والانتهاء من القفل، إذ يمكن أن يكون هناك وضع مشابه في الحياة الواقعية لشخصين يلتقيان عند الباب في الوقت نفسه، ويقول كلاهما: "لا، أنت أولًا، أنا أصر على ذلك" دون المرور عبر الباب نهائيًا. استراتيجيات القفل هناك العديد من الاستراتيجيات المختلفة لتطبيق سلوك الأقفال، إذ يُشار إلى القفل البسيط الذي يحتوي ببساطة على حالتين -مقفل Locked أو غير مقفل Unlocked- على أنه كائن مزامنة Mutex، وهو اختصار للاستبعاد المتبادل Mutual Exclusion الذي يعني أنه إذا كان لدى شخص ما قفلًا، فلا يمكن لشخص آخر الحصول عليه، وهناك عدد من الطرق لتطبيق قفل كائن المزامنة، إذ لدينا في أبسط الحالات ما يسمى بالقفل الدوار Spinlock إذ يبقى المعالج ضمن حلقة في انتظار أخذ القفل مثل طفل صغير يطلب من والديه شيئًا ويقول "هل يمكنني الحصول عليه الآن؟" باستمرار. تكمن مشكلة هذه الاستراتيجية في أنها تضيع الوقت، إذ لا ينفّذ المعالج أيّ عملٍ مفيد بينما يكون متوقفًا ويطلب القفل باستمرار، وقد يكون ذلك مناسبًا للأقفال التي يُحتمَل أن تُقفَل لفترة قصيرة جدًا من الوقت فقط، ولكن يمكن أن يكون مقدار الوقت الذي يستغرقه القفل أطول بكثير في كثير من الحالات. الاستراتيجية الأخرى هي السكون Sleep، حيث إذا لم يتمكن المعالج من الحصول على القفل، فسينفّذ بعض الأعمال الأخرى في انتظار إشعار بأن القفل متاح للاستخدام، وسنرى في المقالات القادمة كيف يمكن لنظام التشغيل تبديل العمليات وإعطاء المعالج مزيدًا من العمل لتنفيذه. يُعَدّ كائن المزامنة حالةً خاصةً من متغير تقييد الوصول Semaphore الذي اخترعه عالم الحاسوب الهولندي ديكسترا Dijkstra، إذ يمكن ضبط متغير تقييد الوصول Semaphore لحساب عدد مرات الوصول إلى الموارد في حالة توفر العديد منها، في حين يكون لديك كائن المزامنة Mutex في الحالة التي يكون فيها عدد الموارد يساوي واحدًا فقط. لكن لا تزال أنظمة القفل هذه تواجه بعض المشاكل، إذ يرغب معظم الأشخاص في قراءة البيانات التي تُحدَّث في حالات نادرة فقط. يمكن أن يؤدي وجود جميع المعالجات التي ترغب في قراءة البيانات فقط التي تتطلب قفلًا إلى تنازع القفل حيث يُنجَز القليل من العمل لأن الجميع ينتظر الحصول على القفل نفسه لبعض البيانات. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Small to big systems من الفصل Computer Architecture من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: الأجهزة الطرفية Peripherals ونواقلها Buses في معمارية الحاسوب المقال التالي: دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب وحدة المعالجة المركزية المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب اختيار العتاد والبرامج في العالم الرقمي

الأجهزة الطرفية peripherals هي مجموعة الأجهزة الخارجية التي تتصل بحاسوبك، ويجب أن يكون للمعالج طريقة ما للتواصل مع هذه الأجهزة الطرفية لجعلها مفيدة، وتسمى قناة الاتصال بين المعالج والأجهزة الطرفية بالناقل Bus. المفاهيم الخاصة بنواقل الأجهزة الطرفية يتطلب الجهاز عمليات إدخال وإخراج ليكون مفيدًا، ويوجد هناك عدد من المفاهيم الشائعة المطلوبة للتواصل المفيد مع الأجهزة الطرفية التي سنستعرضها فيما يلي. المقاطعات Interrupts تسمح المقاطعة للجهاز بمقاطعة المعالج حرفيًا بما تعنيه الكلمة للإشارة إلى بعض المعلومات، فمثلًا تُنشَأ مقاطعة لتسليم حدث الضغط على مفتاح إلى نظام التشغيل عند الضغط عليه، إذ تسنِد تركيبة من نظام التشغيل وبيوس BIOS مقاطعةً لكل جهاز. ترتبط الأجهزة عمومًا بمتحكم المقاطعة القابل للبرمجة Programmable Interrupt Controller أو PIC اختصارًا، وهو شريحة منفصلة تُعَدّ جزءًا من اللوحة الأم التي تخزّن معلومات المقاطعة مؤقتًا وتنقلها إلى المعالج الرئيسي، كما يحتوي كل جهاز على خط مقاطعة فيزيائي بينه وبين أحد خطوط PIC التي يوفرها النظام، فإذا أراد الجهاز مقاطعة المعالج، فسيعدّل الجهد على هذا الخط. هناك وصف واسع جدًا لدور متحكم PIC وهو أنه يتلقى هذه المقاطعة ويحولها إلى رسالة ليستخدمها المعالج الرئيسي، كما يختلف هذا الإجراء حسب المعمارية، ولكن المبدأ العام هو أن يضبط نظام التشغيل جدول واصف المقاطعات Interrupt Descriptor Table الذي تربط فيه كل مقاطعة محتمَلة بعنوان شيفرة برمجية للانتقال إليها عند تلقي المقاطعة كما هو موضح في الشكل الآتي. كتابة معالج المقاطعة Interrupt Handler هو عمل مطور برنامج تشغيل الجهاز بالتزامن مع نظام التشغيل. نظرة عامة على معالجة المقاطعة: يرفع الجهاز المقاطعة إلى متحكم المقاطعة، حيث تمرِّر هذه المقاطعة المعلومات إلى المعالج. ينظر المعالج إلى جدول واصف مقاطعاته الذي يملؤه نظام التشغيل للعثور على الشيفرة البرمجية التي تعالج الخطأ. تقسّم معظم المشغّلات معالجة المقاطعات إلى نصفين سفلي وعلوي، إذ يتعرف النصف السفلي على المقاطعة ويضع الإجراءات في رتل للمعالجة ويعيد المعالج إلى ما كان يفعله سابقًا بسرعة، في حين سيُشغَّل النصف العلوي لاحقًا عندما تكون وحدة المعالجة المركزية متاحةً، وسينفّذ المعالجة الإضافية، كما يؤدي ذلك إلى وقف المقاطعة التي تعطل وحدة المعالجة المركزية بأكملها. حفظ الحالة بما أنّ المقاطعة يمكن أن تحدث في أيّ وقت، فيجب أن تتمكن من العودة إلى العملية الجارية عند الانتهاء من معالجة المقاطعة، كما أنّ مهمة نظام التشغيل هي التأكد من أنه يحفظ أيّ حالة State عند الدخول إلى معالج المقاطعة، أي يسجلها ويستعيدها عند العودة من معالج المقاطعة، وتكون بذلك المقاطعة واضحةً تمامًا في كل ما يحدث في ذلك الوقت بغض النظر عن الوقت الضائع. المقاطعات Interrupts والمصائد Traps والاستثناءات Exceptions ترتبط المقاطعة عمومًا بحدث خارجي من جهاز فيزيائي، ولكن تُعَدّ الآلية نفسها مفيدةً للتعامل مع عمليات النظام الداخلية، فإذا اكتشف المعالج مثلًا حالات مثل الوصول إلى ذاكرة غير صالحة أو محاولة القسمة على صفر أو تعليمات غير صالحة، فيمكنه داخليًا رفع استثناء ليعالجه نظام التشغيل، كما تُستخدَم هذه الآلية ليلتقط نظام التشغيل استدعاءات النظام ولتطبيق الذاكرة الوهمية virtual memory، في حين تبقى مبادئ مقاطعة الشيفرة البرمجية المُشغَّلة بطريقة غير متزامنة كما هي بالرغم من إنشائها داخليًا وليس من مصدر خارجي. أنواع المقاطعات هناك طريقتان رئيسيتان لإصدار إشارات إلى المقاطعات على الخط هما المستوى level والحافة edge المُنبَّهة، إذ تحدّد المقاطعات ذات المستوى المُنبَّه جهد خط المقاطعة الذي يُحتفَظ به مرتفعًا للإشارة إلى وجود مقاطعة معلَّقة، في يحن تكتشف المقاطعات ذات الحافة المُنبَّهة الانتقالات في الناقل عندما ينتقل جهد الخط من منخفض إلى مرتفع، ويكتشف متحكم المقاطعة PIC نبضة الموجة المربعة باستخدام المقاطعة ذات الحافة المنبَّهة عند إصدار الإشارة ورفع المقاطعة. يظهر الفرق عندما تشترك الأجهزة في خط مقاطعة، إذ سيكون خط المقاطعة مرتفعًا في نظام المقاطعة ذي المستوى المنبَّه حتى معالجة جميع الأجهزة التي رفعت المقاطعة وإلغاء تأكيد مقاطعتها، كما تشير النبضة الموجودة على الخط إلى متحكم المقاطعة PIC الذي تنشئه المقاطعة في نظام المقاطعة ذي الحافة المنبَّهة، وستصدر هذه النبضة إشارةً إلى نظام التشغيل لمعالجة المقاطعة في حالة ظهور نبضات أخرى على الخط المؤكَّد مسبقًا من جهاز آخر. تكمن مشكلة المقاطعات ذات المستوى المنبَّه في أنها يمكن أن تتطلب قدرًا كبيرًا من الوقت لمعالجة مقاطعة أحد الأجهزة، إذ يظل خط المقاطعة مرتفعًا أثناء هذا الوقت ولا يمكن تحديد ما إذا تسبّب أيّ جهاز آخر في حدوث مقاطعة على الخط، وهذا يعني أنه يمكن أن يكون هناك زمن تأخير كبير وغير متوقع في خدمة المقاطعات. يمكن ملاحظة المقاطعة طويلة الأمد ووضعها في رتل انتظار في المقاطعات ذات الحافة المُنبَّهة، ولكن لا يزال بإمكان الأجهزة الأخرى التي تشترك في الخط الانتقال -وبالتالي رفع المقاطعات- أثناء حدوث ذلك، ويؤدي ذلك إلى حدوث مشاكل جديدة، إذ يمكن تفويت أحد المقاطعات في حالة مقاطعة جهازين في الوقت نفسه أو يمكن أن يؤدي التشويش البيئي أو غيره إلى حدوث مقاطعة زائفة يجب تجاهلها. المقاطعات غير القابلة للتقنع أو الإخفاء Non-maskable Interrupts يجب أن يكون النظام قادرًا على إخفاء المقاطعات أو منعها في أوقات معينة، ويمكن وضع المقاطعات لتكون قيد الانتظار، لكن هناك صنف معيّن من المقاطعات يسمى المقاطعات غير القابلة للتقنّع أو الإخفاء Non-maskable Interrupts أو NMI اختصارًا، إذ تُعَدّ هذه المقاطعات استثناءً من هذه القاعدة مثل مقاطعة إعادة الضبط reset. يمكن أن تكون مقاطعات NMI مفيدةً لتطبيق أشياء مثل مراقبة النظام، حيث تُرفَع مقاطعة NMI دوريًا وتضبِط بعض الرايات التي يجب أن يقرّ بها نظام التشغيل، فإذا لم يظهر هذا الإقرار قبل مقاطعة NMI الدورية التالية، فيمكن عَدّ النظام أنه لا يحرز أيّ تقدم، كما يمكن استخدام مقاطعات NMI لتشخيص Profiling النظام، إذ يمكن رفع مقاطعات NMI الدورية واستخدامها لتقييم الشيفرة البرمجية التي يعمل بها المعالج حاليًا، مما يؤدي بمرور الوقت إلى إنشاء ملف تعريف للشيفرة البرمجية التي تعمل والحصول على رؤية مفيدة للغاية حول أداء النظام. فضاء الإدخال والإخراج IO يجب أن يتصل المعالج بالجهاز الطرفي عبر عمليات الإدخال والإخراج IO، ويُطلَق على الشكل الأكثر شيوعًا من عمليات IO عمليات الإدخال والإخراج المرتبطة بالذاكرة Memory Mapped IO، إذ ترتبط المسجلات الموجودة على الجهاز مع الذاكرة، وما عليك سوى القراءة أو الكتابة في عنوان محدد من الذاكرة للتواصل مع الجهاز. الوصول المباشر للذاكرة DMA بما أن سرعة الأجهزة أقل بكثير من سرعة المعالجات، فيجب أن يكون هناك طريقة ما لتجنب انتظار وحدة المعالجة المركزية للبيانات من الأجهزة. يُعَدّ الوصول المباشر للذاكرة Direct Memory Access -أو DMA اختصارًا- طريقةً لنقل البيانات مباشرةً بين الجهاز الطرفي وذاكرة RAM الخاصة بالنظام، ويمكن لمشغّل الجهاز إعداده لإجراء نقل باستخدام طريقة الوصول DMA من خلال إعطائه منطقةً من ذاكرة RAM لوضع بياناته فيها، ثم يمكنه بدء نقل DMA والسماح لوحدة المعالجة المركزية بمواصلة تنفيذ المهام الأخرى. سيرفع الجهاز المقاطعة بعد الانتهاء ويرسل لمشغّل الجهاز إشارةً باكتمال النقل، ثم ستكون البيانات القادمة من الجهاز مثل ملف من قرص صلب أو إطارات من بطاقة التقاط الفيديو موجودةً في الذاكرة وجاهزةً للاستخدام. نواقل أخرى تصل نواقل أخرى بين ناقل PCI والأجهزة الخارجية مثل ناقل USB الذي سنتعرف عليه فيما يلي. USB يُعَدّ جهاز USB من وجهة نظر نظام التشغيل أنه مجموعة من نقاط النهاية المجمَّعة معًا في واجهة ما، إذ يمكن أن تكون نقطة النهاية إما نقطة إدخال أو إخراج، بحيث تنقل نقطة النهاية البيانات باتجاه واحد فقط، كما يمكن أن تحتوي نقاط النهاية على عدد من الأنواع المختلفة هي: نقاط نهاية خاصة بعمليات التحكم Control End-points: مخصصة لإعداد الجهاز وغير ذلك. نقاط نهاية خاصة بالمقاطعات Interrupt End-points: تُستخدَم لنقل كميات صغيرة من البيانات، ولديها أولوية عليا. نقاط النهاية المجمَّعة Bulk End-points: تنقل كميات كبيرة من البيانات ولكنها لا تحصل على قيود زمنية مضمونة. عمليات النقل المتزامنة Isochronous Transfers: هي عمليات نقل ذات أولوية عالية في الوقت الحقيقي، ولكن إذا جرى تفويتها، فلن يعاد تجربتها، وتُستخدَم لبيانات البث مثل الفيديو أو الصوت حيث لا توجد فائدة من إرسال البيانات مرةً أخرى. يمكن أن يكون هناك العديد من الواجهات المكونة من نقاط نهاية متعددة، وتُجمَّع الواجهات ضمن إعدادات Configurations، ولكن معظم الأجهزة لها إعداد واحد فقط. نظرة عامة على متحكم UCHI (مأخوذة من توثيق إنتل Intel) يوضح الشكل السابق نظرة عامة على واجهة متحكم المضيف العامة Universal Host Controller Interface أو UHCI اختصارًا، إذ ويوفر نظرةً عامةً حول كيفية نقل بيانات USB خارج النظام عن طريق مجموعة من العتاد والبرمجيات، كما تضبط البرمجيات قالب بيانات بتنسيق محدد لمتحكم المضيف لقراءته وإرساله عبر ناقل USB. يحتوي المتحكم بدءًا من أعلى يسار الشكل السابق على مسجل إطارات مع عدّاد يُزاد دوريًا في كل ميلي ثانية، إذ تُستخدَم هذه القيمة للفهرسة ضمن قائمة إطارات تنشئها البرمجيات، ويؤشّر كل إدخال في هذا الجدول إلى رتل واصفات النقل Transfer Descriptors، كما تضبط البرمجيات هذه البيانات في الذاكرة ويقرؤها المتحكم المضيف الذي يُعَدّ شريحةً منفصلةً تشغّل ناقل USB، ويجب أن تجدول البرمجيات أرتال العمل بحيث يُمنَح 90% من وقت الإطار للبيانات المتزامنة ويُمنَح 10% المتبقية لبيانات المقاطعة والتحكم والبيانات المُجمَّعة. تعني الطريقة التي تُربَط بها البيانات أنّ واصفات النقل للبيانات المتزامنة ترتبط بمؤشر إطار معيّن واحد فقط -أي فترة زمنية معينة واحدة فقط- ثم ستُهمَل، لكن تُوضَع جميع بيانات المقاطعة والتحكم والبيانات المُجمَّعة ضمن رتل انتظار بعد البيانات المتزامنة، وبالتالي إذا لم تُرسَل في إطار واحد -أو فترة زمنية واحدة- فسيجري ذلك في المرة التالية. تتواصل طبقات USB عبر كتل طلبات USB أو URB اختصارًا، إذ تحتوي كتل URB على معلومات حول نقطة النهاية التي يرتبط بها هذا الطلب والبيانات وأي معلومات أو سمات ذات صلة ودالة رد نداء call-back function تُستدعَى عند اكتمال كتلة URB، كما ترسِل مشغّلات USB كتل URB بتنسيق ثابت إلى مركز USB الذي يديرها بالتنسيق مع متحكم مضيف USB على النحو الوارد أعلاه، وتُرسَل بياناتك إلى جهاز USB عبر مركز USB، ثم تُشغَّل دالة رد النداء. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Peripherals and buses من الفصل Computer Architecture من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: نظرة عميقة على تسلسل الذواكر الهرمي والذاكرة المخبئية في معمارية الحاسوب المقال التالي: أنظمة المعالجات في معمارية الحاسوب المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب فهم عملية التخبئة (Caching) في معمارية الحاسوب

يمكن لوحدة المعالجة المركزية جلب التعليمات والبيانات مباشرةً من الذاكرة المخبئية Cache Memory الموجودة على شريحة المعالج فقط، لذا يجب تحميل الذاكرة المخبئية من ذاكرة النظام الرئيسية، أي ذاكرة الوصول العشوائي Random Access Memory -أو RAM اختصارًا-، ولكن تحتفظ الذاكرة RAM بمحتوياتها فقط عند الوصل بمصدر طاقة، لذلك يجب تخزينها على مساحة تخزين دائمة وغير متطايرة. تسلسل الذواكر الهرمي نطلق على طبقات الذواكر التالية اسم تسلسل الذواكر الهرمي Memory Hierarchy: table { width: 100%; } thead { vertical-align: middle; text-align: center; } td, th { border: 1px solid #dddddd; text-align: right; padding: 8px; text-align: inherit; } tr:nth-child(even) { background-color: #dddddd; } السرعة الذاكرة الوصف الأسرع الذاكرة المخبئية Cache الذاكرة المخبئية هي ذاكرة مضمَّنة في وحدة المعالجة المركزية، وهي ذاكرة سريعة جدًا وتستغرق دورة واحدة فقط للوصول إليها، ولكن هناك حد لحجمها لأنها مُدمَجة مباشرةً في وحدة المعالجة المركزية، كما توجد هناك عدة مستويات فرعية من الذاكرة المخبئية تسمى L1 و L2 و L3 بسرعات متزايدة قليلًا عن بعضها البعض. الذاكرة RAM يجب أن تأتي جميع التعليمات وعناوين التخزين الخاصة بالمعالج من الذاكرة RAM، وتستغرق وحدة المعالجة المركزية بعض الوقت للوصول إلى الذاكرة RAM يسمى زمن التأخير Latency بالرغم من أنها ذاكرة سريعة جدًا، كما تُخزَّن الذاكرة RAM في شرائح منفصلة ومخصصة متصلة باللوحة الأم، مما يعني أنها أكبر بكثير من الذاكرة المخبئية. الأبطأ القرص الصلب Disk جميعنا على دراية بالبرامج التي تصلنا على قرص مرن floppy disk أو قرص مضغوط، ونعلم كيفية حفظ ملفاتنا على القرص الصلب، ونعلم الوقت الطويل الذي يمكن أن يستغرقه البرنامج للتحميل من القرص الصلب، إذ يعني وجود آليات فيزيائية مثل الأقراص الدوارة والرؤوس المتحركة أن الأقراص الصلبة هي أبطأ وسيلة من وسائل التخزين، ولكنها أكبرها حجمًا. النقطة المهمة التي يجب معرفتها حول تسلسل الذواكر الهرمي هي المقايضات بين السرعة والحجم على حساب بعضهما البعض، فكلما كانت الذاكرة أسرع، كان حجمها أصغر. سبب فعالية الذواكر المخبئية هو أنّ شيفرة الحاسوب البرمجية تعرض شكلَين من أشكال المحلية Locality هما: تشير المحلية المكانية Spatial Locality إلى احتمالية الوصول إلى البيانات الموجودة ضمن الكتل مع بعضها بعضًا. تشير المحلية الزمانية Temporal Locality إلى أن البيانات المستخدَمة مؤخرًا يُحتمَل أن تُستخدَم مرة أخرى قريبًا. يعني ذلك أنه يمكن الاستفادة من تنفيذ أكبر قدر ممكن من عمليات الوصول السريعة إلى الذاكرة أي المحلية الزمانية وتخزين كتل صغيرة من المعلومات ذات الصلة أي المحلية المكانية. الذاكرة المخبئية تُعَدّ الذاكرة المخبئية أحد أهم عناصر معمارية وحدة المعالجة المركزية، إذ يجب على المطورين فهم كيفية عمل الذاكرة المخبئية في أنظمتهم لكتابة شيفرة برمجية فعالة، كما تُعَدّ نسخةً سريعةً جدًا من ذاكرة النظام الرئيسية الأبطأ، وهي أصغر بكثير من الذواكر الرئيسية لأنها مضمنة داخل شريحة المعالج جنبًا إلى جنب مع المسجلات ومنطق المعالج، وهناك حدود اقتصادية ومادية لأقصى حجم لها. تجد الشركات المصنعة مزيدًا من الطرق لحشر مزيد من الترانزستورات على الشريحة، مما يؤدي إلى زيادة أحجام الذواكر المخبئية بصورة كبيرة، ولكن يُقدَّر حجم حتى أكبر الذواكر المخبئية بعشرات الميجابايتات بعكس حجم الذاكرة الرئيسية المقدَّر بالجيجابايتات أو حجم القرص الصلب المقدَّر بالتيرابايتات. تتكون الذاكرة المخبئية من قطع صغيرة تعكس محتوى أجزاء من الذاكرة الرئيسية، إذ يُطلَق على حجم هذه القطع بحجم الخط Line Size، ويساوي تقريبًا 32 أو 64 بايتًا، ومن الشائع التحدث عن حجم الخط أو خط الذاكرة المخبئية عند الحديث عن الذاكرة المخبئية، والذي يشير إلى قطعة واحدة تعكس محتوى قطعة من الذاكرة الرئيسية، كما يمكن للذاكرة المخبئية فقط تحميل وتخزين الذاكرة بأحجام مضاعفة من خط الذاكرة المخبئية. تحتوي الذواكر المخبئية على تسلسلها الهرمي الخاص، ويطلق عليه عادةً L1 و L2 و L3، إذ تُعَدّ الذاكرة المخبئية L1 هي الأسرع والأصغر و L2 أكبر وأبطأ منها و L3 هي الأكبر والأبطأ، كما تُقسَم الذاكرة المخبئية L1 إلى ذواكر مخبئية خاصة بالتعليمات وأخرى بالبيانات، وتُعرف باسم معمارية هارفارد Harvard Architecture بعد أن قدمها حاسوب Harvard Mark-1 القائم على المُرحّلات Relay. تساعد الذواكر المخبئية المقسمة على تقليل الاختناقات في خطوط الأنابيب، حيث تشير مراحل خط الأنابيب السابقة إلى تعليمات الذاكرة المخبئية وتشير المراحل اللاحقة إلى بيانات الذاكرة المخبئية، كما يسمح توفير ذاكرة مخبئية منفصلة للتعليمات بإجراء تطبيقات بديلة تستفيد من طبيعة مجرى التعليمات بغض النظر عن فائدة تقليل التنازع على مورد مشترك، إذ تكون الذاكرة المخبئية الخاصة بالتعليمات للقراءة فقط، أي لا تحتاج إلى ميزات باهظة الثمن على الشريحة مثل تعدد المنافذ، ولا تحتاج إلى التعامل مع عمليات قراءة الكتل الفرعية لأن مجرى التعليمات يستخدِم عمومًا عمليات وصول ذات أحجام أكثر انتظامًا. ترابط الذاكرة المخبئية: يمكن أن يجد خط ذاكرة مخبئية معيّن مكانًا صالحًا في أحد الإدخالات المظللة. يطلب المعالج باستمرار من الذاكرة المخبئية أثناء التشغيل العادي التحققَ من تخزين عنوان معيّن في الذاكرة المخبئية، لذلك تحتاج الذاكرة المخبئية لطريقة ما لمعرفة ما إذا كان لديها خط صالح أم لا، فإذا أمكن تخزين عنوان معيّن في أيّ مكان ضمن الذاكرة المخبئية، فيجب البحث في كل خط من الذاكرة المخبئية في كل مرة يُنشَأ فيها مرجع لتحديد وصول صحيح أو خاطئ، كما يمكن الاستمرار في البحث السريع من خلال إجرائه على التوازي في عتاد الذاكرة المخبئية، ولكن يكون البحث في كل إدخال مكلفًا للغاية بحيث يتعذر تطبيقه في ذاكرة مخبئية ذات حجم معقول، لذا يمكن جعل الذاكرة المخبئية أبسط من خلال فرض قيود على مكان وجود عنوان معيّن. يُعَدّ ذلك مقايضةً، فالذاكرة المخبئية أصغر بكثير من ذاكرة النظام، لذا يجب أن تحمل بعض العناوين أسماء بديلة Alias للعناوين الأخرى، فإذا جرى تحديث عنوانَين يحملان أسماء بديلةً لبعضهما البعض باستمرار، فسيقال أنهما يتنازعان على خط الذاكرة المخبئية، كما يمكننا تصنيف الذواكر المخبئية إلى ثلاثة أنواع عامة كما هو موضح في الشكل السابق وهي: الذواكر المخبئية المربوطة مباشرةً Direct mapped Caches التي تسمح لخط الذاكرة المخبئية بالتواجد فقط في إدخال واحد في الذاكرة المخبئية، ويُعَدّ ذلك أبسط تطبيق في العتاد، ولكن -كما هو موضح في الشكل السابق- لا توجد إمكانية لتجنب استخدام الأسماء البديلة لأن العنوانَين المظلَّلين يجب عليهما التشارك في خط الذاكرة المخبئية نفسه. الذواكر المخبئية الترابطية بالكامل Fully Associative Caches التي تسمح بوجود خط الذاكرة المخبئية في أيّ إدخال منها، مما يؤدي إلى تجنّب مشكلة الأسماء البديلة، لأن أيّ إدخال يكون متاحًا للاستخدام، لكن يُعَدّ تطبيق ذلك في العتاد مكلفًا للغاية لأنه يجب البحث عن كل موقع محتمَل في الوقت نفسه لتحديد ما إذا كانت القيمة موجودةً في الذاكرة المخبئية. الذواكر المخبئية التجميعية Set Associative Caches التي تُعَدّ عبارةً عن مزيج من الذواكر المخبئية المربوطة مباشرةً والذواكر المخبئية الترابطية بالكامل، وتسمح بوجود قيمة معينة للذاكرة المخبئية في بعض المجموعات الفرعية من الخطوط الموجودة ضمن هذه الذاكرة المخبئية، كما تُقسَم الذاكرة المخبئية إلى مناطق تسمَّى طرقًا Ways، ويمكن وجود عنوان معيّن في أيّ طريق، وبالتالي ستسمح الذاكرة المخبئية التجميعية المؤلفة من مجموعة من الطرق عددها n لخط الذاكرة المخبئية بالتواجد ضمن مجموعة الإدخالات التي عددها يساوي باقي قسمة مجموعة الكتل الإجمالية ذات الحجم المحدد على n، ويظهِر الشكل السابق عينةً من ذاكرة تجميعية مؤلفة من 8 عناصر و 4 طرق، إذ يكون للعنوانَين أربعة مواقع محتملة، مما يعني أنه يجب البحث عن نصف الذاكرة المخبئية فقط في كل عملية بحث، وكلما زاد عدد الطرق، زادت المواقع الممكنة ونقصت الأسماء البديلة، مما يؤدي إلى أداء أفضل. يجب أن يتخلص المعالِج من الخط بمجرد امتلاء الذاكرة المخبئية لإفساح المجال لخط جديد، وهناك العديد من الخوارزميات التي يمكن للمعالج من خلالها اختيار الخط الذي سيتخلص منه مثل خوارزمية الأقل استخدامًا مؤخرًا Least Recently Used -أو LRU اختصارًا- والتي تُعَدّ خوارزميةً يجري فيها التخلص من أقدم خط غير مستخدَم لإفساح المجال للخط الجديد. ليس هناك داع لضمان التوافق مع الذاكرة الرئيسية عندما تكون البيانات للقراءة فقط من الذاكرة المخبئية، لكن يحتاج المعالج لاتخاذ بعض القرارات حول كيفية تحديث الذاكرة الرئيسية الأساسية عندما يبدأ في الكتابة في خطوط الذاكرة المخبئية، إذ ستكتب طريقة التخزين الخاصة بالذاكرة المخبئية التي تُسمَّى Write-through Cache التغييرات مباشرةً في ذاكرة النظام الرئيسية عندما يحدّث المعالج الذاكرة المخبئية، ويُعَدّ ذلك أبطأ لأن عملية الكتابة في الذاكرة الرئيسية أبطأ، في حين تؤخر طريقة التخزين الخاصة بالذاكرة المخبئية التي تُسمَّى Write-back Cache كتابةَ التغييرات على الذاكرة RAM حتى الضرورة القصوى، والميزة الواضحة لذلك هي أنّ الوصول إلى الذاكرة الرئيسية مطلوب عند كتابة إدخالات الذاكرة المخبئية. يُشار إلى خطوط الذاكرة المخبئية المكتوبة دون وضعها في الذاكرة على أنها متسخة Dirty، فعيبها هو أنه يمكن أن يتطلب الأمر وصولَين إلى الذاكرة أحدهما لكتابة بيانات الذاكرة الرئيسية المتسخة والآخر لتحميل البيانات الجديدة عند التخلص من إدخال معيّن من الذاكرة المخبئية. إذا كان الإدخال موجودًا في كل من الذاكرة المخبئية ذات المستوى الأعلى والمستوى الأدنى في الوقت نفسه، فإننا نسمّي الذاكرة المخبئية ذات المستوى الأعلى بالشاملة Inclusive. بينما إذا أزالت الذاكرة المخبئية ذات المستوى الأعلى التي تحتوي على خط معيّن إمكانيةَ احتواء ذاكرة مخبئية ذات مستوى أقل على هذا الخط، فإننا نقول أنها حصرية Exclusive وسنناقش ذلك لاحقًا. عنونة الذاكرة المخبئية لم نناقش حتى الآن كيف تقرر الذاكرة المخبئية ما إذا كان عنوان معيّن موجودًا في الذاكرة المخبئية أم لا، إذ يجب أن تحتفظ الذواكر المخبئية بمجلد للبيانات الموجودة حاليًا في خطوط الذاكرة المخبئية، ويمكن وضع مجلد وبيانات الذاكرة المخبئية على المعالج معًا، ولكن يمكن أن يكونا منفصلَين أيضًا كما في حالة المعالج POWER5 الذي يحتوي على مجلد ذاكرة L3 على المعالج، ولكن يتطلب الوصول إلى البيانات اجتياز ناقل L3 للوصول إلى ذاكرة خارجية ليست على المعالج، ويمكن أن يسهّل هذا الترتيب معالجة عمليات الوصول الصحيحة أو الخاطئة بصورة أسرع دون التكاليف الأخرى للاحتفاظ بالذاكرة المخبئية بالكامل على المعالج. وسوم الذاكرة المخبئية Cache Tags: يجب التحقق من الوسوم على التوازي للحفاظ على وقت الاستجابة منخفضًا، إذ يتطلب المزيدُ من بتات الوسوم (أي ارتباطات مجموعات أقل) عتادًا أكثر تعقيدًا لتحقيق ذلك. بينما تعني ارتباطاتُ المجموعات الأكثر وسومًا أقل، ولكن يحتاج المعالج الآن إلى عتاد لمضاعفة خرج العديد من المجموعات التي يمكن أن تضيف زمن تأخير أيضًا. يمكن تحديد ما إذا كان العنوان موجودًا في الذاكرة المخبئية بسرعة من خلال فصله إلى ثلاثة أجزاء هي الوسم Tag والفهرس Index والإزاحة Offset. تعتمد بتات الإزاحة على حجم خط الذاكرة المخبئية، إذ يمكن استخدام خط بحجم 32 بايت مثلًا آخر 5 بتات أي 2‎5‎ من العنوان بوصفه إزاحةً في الخط، ويُعَدّ الفهرس خط ذاكرة مخبئية معيّن يمكن أن يتواجد فيه الإدخال، فلنفترض أنه لدينا ذاكرة مخبئية تحتوي على 256 إدخالًا مثلًا، فإذا كانت هذه الذاكرة هي ذاكرة مخبئية مربوطة مباشرةً، فيمكن أن تكون البيانات موجودة في خط واحد محتمَل فقط، لذا تصف 8 بتات التالية (2‎8‎) بعد الإزاحة الخط المراد التحقق منه بين 0 و 255. لنفترض الآن أنّ الذاكرة المخبئية المكونة من 256 عنصرًا مقسمة إلى طريقين، وهذا يعني أنّ هناك مجموعتين مؤلفتين من 128 خط، ويمكن أن يقع العنوان المحدد في أيّ من هاتين المجموعتين، وبالتالي فإن المطلوب هو 7 بتات فقط على أساس فهرس للإزاحة في الطرق المؤلفة من 128 إدخالًا، كما نخفّض عدد البتات المطلوبة على أساس فهرس لأن كل طريق يصبح أصغر عندما نزيد عدد الطرق بالنسبة إلى حجم ذاكرة مخبئية معيّن. لا يزال مجلد الذاكرة المخبئية بحاجة إلى التحقق مما إذا كان العنوان المخزن في الذاكرة المخبئية هو العنوان الذي يريده، وبالتالي فإن البتات المتبقية من العنوان هي بتات الوسوم التي يتحقق مجلد الذاكرة المخبئية منها مقابل بتات وسم العنوان الواردة لتحديد ما إذا كان هناك عملية وصول صحيحة أم لا، وهذه العلاقة موضحة في الصورة السابقة. إذا كان هناك طرق متعددة، فيجب إجراء هذا التحقق على التوازي في كل طريق، ثم تُمرَر النتيجة بعد ذلك إلى معدد إرسال Multiplexor ينتج عنه نتيجة وصول صحيحة hit أو خاطئة miss، وكلما كانت الذاكرة المخبئية أكثر ارتباطًا، قل عدد البتات المطلوبة للفهرس وزاد عدد البتات المطلوبة للوسم، حتى الوصول إلى أقصى حد للذاكرة المخبئية الترابطية بالكامل حيث لا تُستخدَم بتات كبتات للفهرس، كما تُعَدّ المطابقة على التوازي لبتات الوسوم مكونًا باهظًا لتصميم الذاكرة المخبئية وهي عمومًا العامل المحدّد لعدد الخطوط -أي حجمها- التي يمكن أن تنمو إليها الذاكرة المخبئية. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Memory من الفصل Computer Architecture من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: تعرف على وحدة المعالجة المركزية وعملياتها في معمارية الحاسوب المقال التالي: الأجهزة الطرفية Peripherals ونواقلها Buses في معمارية الحاسوب الذاكرة وأنواعها فهم عملية التخبئة (Caching) في معمارية الحاسوب المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب

تنفّذ وحدة المعالجة المركزية التعليمات على القيم الموجودة في المسجّلات Registers، إذ يوضّح المثال الآتي أولًا ضبط R1 على القيمة 100 وتحميل القيمة من موقع الذاكرة 0x100 إلى R2 وجمع القيمتين، ثم وضع النتيجة في R3، وأخيرًا تخزين القيمة الجديدة 110 في R4. يتكون الحاسوب من وحدة معالجة مركزية Central Processing Unit -أو CPU اختصارًا- متصلة بالذاكرة، إذ توضّح الصورة السابقة المبدأ العام لجميع عمليات الحاسوب، كما تنفّذ وحدة المعالجة المركزية التعليمات المقروءة من الذاكرة، وهناك نوعان من هذه التعليمات هما: التعليمات التي تحمّل القيم من الذاكرة إلى المسجلات وتخزّن القيم من المسجلات إلى الذاكرة. التعليمات التي تُشغَّل على القيم المخزَّنة في المسجّلات مثل جمع أو طرح أو ضرب أو قسمة قيمتين موجودتين في مسجلين، أو إجراء العمليات الثنائية and و or و xor وغيرها، أو إجراء عمليات حسابية أخرى، مثل الجذر التربيعي و sin و cos و tan وغيرها. لذا نجمع في مثالنا ببساطة العدد 100 مع قيمة مُخزَّنة في الذاكرة ونخزّن النتيجة الجديدة في الذاكرة. التفريع Branching يُعَدّ التفريع عمليةً مهمةً لوحدة المعالجة المركزية، وذلك بغض النظر عن عمليتي التحميل أو التخزين، إذ تحتفظ وحدة المعالجة المركزية داخليًا بسجل للتعليمة التالية التي ستنفَّذ في مؤشر التعليمات Instruction Pointer، بحيث يُزاد هذا المؤشر ليؤشّر إلى التعليمة التالية تسلسليًا، إذ ستتحقق التعليمة الفرعية مما إذا كان لمسجل معيّن القيمة صفر، أو تتحقق من وجود من ضبط راية flag ما. فإذا كان الأمر كذلك، فسيُعدَّل المؤشر ليؤشّر إلى عنوان مختلف، وبالتالي ستكون التعليمة التالية للتنفيذ من جزء مختلف من البرنامج، وهذه هي الطريقة التي تعمل بها الحلقات وتعليمات القرار. يمكن مثلًا تنفيذ التعليمة if (x==0)‎ من خلال إيجاد ناتج تطبيق عملية or على اثنين من المسجلات، أحدهما يحمل القيمة x والآخر يحمل القيمة صفر، فإذا كانت النتيجة صفرًا، فستكون المقارنة صحيحة، أي أنّ جميع بتات x أصفار ويجب تنفيذ جسم التعليمة، وإلّا فستتجاوز التعليمة الفرعية هذه الشيفرة. الدورات جميعنا على دراية بسرعة الحاسوب المعطاة بالميجاهرتز أو الجيجاهرتز التي تقابل ملايين أو آلاف الملايين من الدورات في الثانية، ويسمى ذلك بسرعة الساعة Clock Speed لأنها السرعة التي تنبض بها ساعة الحاسوب الداخلية، إذ تُستخدَم النبضات ضمن المعالج لإبقائه متزامنًا داخليًا، ويمكن البدء بعملية أخرى في كل لحظة أو نبضة. جلب التعليمة وفك تشفيرها وتنفيذها وتخزين نتيجتها يتكون تنفيذ تعليمة واحدة من دورة معينة من الأحداث، وهي الجلب وفك التشفير والتنفيذ والتخزين، إذ يجب على وحدة المعالجة المركزية تطبيق الخطوات التالية لتنفيذ تعليمة add السابقة مثلًا: الجلب Fetch: الحصول على التعليمات من الذاكرة إلى المعالج. فك التشفير Decode: فك تشفير ما يجب أن تفعله داخليًا، أي الجمع في هذه الحالة. التنفيذ Execute: أخذ القيم من المسجلات وجمعها. التخزين Store: تخزين النتيجة في مسجل آخر، كما يمكن رؤية مصطلح انتهاء Retiring التعليمة. نظرة داخلية إلى وحدة المعالجة المركزية تحتوي وحدة المعالجة المركزية داخليًا على العديد من المكونات الفرعية المختلفة التي تطبّق كلًا من الخطوات المذكورة سابقًا، كما يمكن أن تحدث جميعها بصورة مستقلة عن بعضها البعض، وهي مشابهة لخط الإنتاج في المصانع، حيث توجد العديد من المحطات ولكل خطوة مَهمة معينة لأدائها، ثم يمكنه تمرير النتائج إلى المحطة التالية وأخذ مدخلات جديدة للعمل عليها. تتكون وحدة المعالجة المركزية من العديد من المكونات الفرعية المختلفة، وتطبّق كل منها مهمةً مُخصَّصةً. توضِّح الصورة السابقة مخططًا بسيطًا لبعض الأجزاء الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية الحديثة، حيث يمكنك رؤية التعليمات تأتي ثم يفك المعالج تشفيرها؛ كما تحتوي وحدة المعالجة المركزية على نوعين رئيسيين من المسجّلات، هما مسجلات العمليات الحسابية الخاصة بالأعداد الصحيحة ومسجلات العمليات الحسابية الخاصة بالأعداد العشرية. تُعَدّ الأعداد العشرية Floating Point طريقةً لتمثيل الأعداد ذات المنزلة العشرية بصيغة ثنائية، ويجري التعامل معها بطريقة مختلفة ضمن وحدة المعالجة المركزية، كما تُعَدّ المسجلات MMX (توسع الوسائط المتعددة Multimedia Extension) و SSE (مجرى بيانات متعددة لتعليمة مفردة Streaming Single Instruction Multiple Data) أو Altivec مسجلات مماثلة للمسجلات الخاصة الأعداد العشرية. يُعَدّ ملف المسجلات Register File اسمًا يجمع جميع المسجلات الموجودة ضمن وحدة المعالجة المركزية، وتوجد ضمنه أجزاء وحدة المعالجة المركزية التي تنفّذ كل العمل، إذ تحمّل المعالجات أو تخزّن قيمةً في مسجل أو من مسجل إلى الذاكرة، أو تنفّذ بعض العمليات على القيم الموجودة في المسجلات كما قلنا سابقًا. تُعَدّ وحدة الحساب والمنطق Arithmetic Logic Unit -أو ALU اختصارًا- قلب عمليات وحدة المعالجة المركزية، إذ تأخذ القيم من المسجلات وتنفّذ أيًا من العمليات المتعددة التي تستطيع وحدة المعالجة المركزية تنفيذها، كما تحتوي جميع المعالجات الحديثة على عدد من وحدات ALU، بحيث يمكن لكل منها العمل بصورة مستقلة، وتحتوي المعالجات مثل المعالج بنتيوم Pentium على وحدات ALU سريعة ووحدات ALU بطيئة، إذ تكون الوحدات السريعة أصغر حجمًا، لذا يمكنك استخدام المزيد منها على وحدة المعالجة المركزية، ولكن يمكنك تنفيذ العمليات الأكثر شيوعًا فقط؛ أما وحدات ALU البطيئة، فيمكنها تنفيذ جميع العمليات ولكنها تكون أكبر حجمًا. تعالِج وحدة إنشاء العناوين Address Generation Unit -أو AGU اختصارًا- التواصل مع الذاكرة المخبئية Cache Memory والذاكرة الرئيسية لجلب القيم إلى المسجلات لكي تعمل وحدة ALU، ثم استعادة القيم من المسجلات إلى الذاكرة الرئيسية، كما تحتوي مسجلات الأعداد العشرية على المفاهيم نفسها، ولكنها تستخدِم مصطلحات مختلفةً قليلًا لمكوناتها. استخدام خط الأنابيب تُعَدّ عملية وحدة ALU التي تجمع قيم المسجلات منفصلةً تمامًا عن عملية وحدة AGU التي تكتب القيم في الذاكرة، إذ لا يوجد سبب يمنع وحدة المعالجة المركزية من تطبيق هاتين العمليتين معًا في وقت واحد، كما توجد عدة وحدات ALU في النظام والتي يمكن أن تعمل كل منها على تعليمات منفصلة. يمكن لوحدة المعالجة المركزية تنفيذ بعض عمليات الأعداد العشرية باستخدام منطق الأعداد العشرية أثناء تشغيل تعليمات الأعداد الصحيحة أيضًا، إذ تسمى هذه العملية باستخدام خط الأنابيب Pipelining، ويشار إلى المعالج الذي يمكنه تطبيق هذه العملية بأن له معمارية عددية فائقة Superscalar Architecture، إذ تُعَدّ جميع المعالجات الحديثة معالجات عدديةً فائقةً، ويحتوي أيّ معالج حديث على أكثر من أربع مراحل يمكنه استخدامها ضمن خط أنابيب، وكلما زاد عدد المراحل التي يمكن تنفيذها في الوقت نفسه، زاد عمق خط الأنابيب. يمكن تشبيه خط الأنابيب بأنبوب مملوء بكرات زجاجية، باستثناء أن هذه الكرات هي تعليمات وحدة المعالجة المركزية، إذ ستضع الكرات الزجاجية في نهاية واحدة، بحيث تضعها واحدةً تلو الأخرى -أي كرة لكل نبضة ساعة- حتى تملأ الأنبوب، وستنتقل كل كرة زجاجية -أو تعليمة- تدفعها للداخل إلى الموضع التالي بمجرد أن يمتلئ الأنبوب مع سقوط كرة في النهاية التي تمثّل النتيجة. تؤدي التعليمات الفرعية إلى إحداث فوضى في هذا النموذج، إذ يمكن أن تتسبب أو لا تتسبب في بدء التنفيذ من مكان مختلف، فإذا أردت استخدام خط الأنابيب، فسيتعين عليك تخمين الاتجاه الذي ستتجه فيه التعليمة الفرعية حتى تعرف التعليمات التي يجب إحضارها إلى خط الأنابيب، فإذا خمّنت وحدة المعالجة المركزية ذلك بصورة صحيحة، فسيسير كل شيء على ما يرام، إذ تستخدِم المعالجات مثل معالج بنتيوم ذاكرة تخزين مؤقت Trace Cache لتعقب مسار التعليمات الفرعية، حيث يمكن في كثير من الأحيان أن تخمّن الطريق الذي ستذهب إليه التعليمة الفرعية من خلال تذكر نتائجها السابقة، فإذا تذّكرتَ نتيجة التعليمة الفرعية الأخيرة في حلقة تتكرر 100 مرة مثلًا، فستكون على صواب 99 مرة، لأن المرة الأخيرة فقط ستستمر في البرنامج فعليًا؛ بينما إذا جرى تخمين المعالج بطريقة غير صحيحة، فهذا يعني أنّ المعالج قد أهدر كثيرًا من الوقت ويجب عليه مسح خط الأنابيب والبدء من جديد. يشار إلى هذه العملية عادةً باسم تفريغ خط الأنابيب Pipeline Flush وهي مماثلة للحاجة إلى التوقف وإفراغ كل الكرات من الأنبوب، كما تتكوّن عملية تخمين التعليمة الفرعية Branch Prediction من تفريغ خط الأنابيب وأخذ التخمين أو عدم الأخذ به وفتحات تأخير التعليمة الفرعية branch delay slots. إعادة الترتيب إذا كانت وحدة المعالجة المركزية هي الأنبوب، فسنكون لك الحرية في إعادة ترتيب الكرات ضمنه طالما أنها تخرج من نهايته بالترتيب نفسه الذي وضعتَها فيه، إذ نسمي ذلك بترتيب البرنامج Program Order لأنه ترتيب التعليمات المُعطَى في البرنامج الحاسوبي، كما يمكنك الاطلاع على المثال التالي الذي يمثل إعادة ترتيب المخزن المؤقت Buffer: 1: r3 = r1 * r2 2: r4 = r2 + r3 3: r7 = r5 * r6 4: r8 = r1 + r7 افترض مجرى التعليمات الموضح سابقًا، إذ يجب على التعليمة 2 انتظار اكتمال التعليمة 1 قبل أن تبدأ، وهذا يعني أنّ خط الأنابيب يجب عليه التوقف أثناء انتظار القيمة المراد حسابها، كما تعتمد التعليمتان 3 و 4 على قيمة r7، ولكن التعليمتان 2 و 3 لا تعتمدان على بعضهما البعض أبدًا، وهذا يعني أنهما يعملان في مسجلات منفصلة تمامًا، فإذا بدّلنا بين التعليمتين 2 و 3، فسنحصل على ترتيب أفضل لخط الأنابيب، إذ يمكن أن ينفّذ المعالج عملًا مفيدًا بدلًا من انتظار اكتمال خط الأنابيب للحصول على نتيجة التعليمة السابقة. يمكن أن تتطلب التعليمات بعض الأمان حول كيفية ترتيب العمليات عند كتابة شيفرة منخفضة المستوى، إذ نطلق على هذا المتطلب دلالات الذاكرة Memory Semantics، فإذا أردت اكتساب الدلالات Acquire Semantics، فهذا يعني أنه يجب عليك التأكد من إكمال نتائج جميع التعليمات السابقة للتعليمة الحالية، وإذا أردت تحرير الدلالات Release Semantics، فهذا يعني أنّ جميع التعليمات بعد هذه التعليمة يجب أن ترى النتيجة الحالية. توجد دلالات أخرى أكثر صرامة وهي حاجز الذاكرة Memory Barrier أو سور الذاكرة Memory Fence الذي يتطلب أن تكون العمليات مرتبطةً بالذاكرة قبل المتابعة، كما يضمن المعالج هذه الدلالات في بعض المعماريات، بينما يجب أن تحددها بصورة صريحة في المعماريات الأخرى، ولا يحتاج معظم المبرمجين إلى القلق بشأنها على الرغم من أنك قد تصادفها. معمارية CISC ومعمارية RISC يمكن تقسيم معماريات الحاسوب إلى معمارية حاسوب مجموعة التعليمات المعقدة Complex Instruction Set Computer -أو CISC اختصارًا- ومعمارية حاسوب مجموعة التعليمات المُخفَّضة Reduced Instruction Set Computer أو RISC اختصارًا. لاحظ أننا في المثال الأول من مقالنا حمّلنا القيم صراحةً في المسجلات وأجرينا عملية الجمع، ثم خزّنا القيمة الناتجة المحفوظة في مسجل آخر في الذاكرة، إذ يُعَدّ ذلك مثالًا عن نهج RISC للحوسبة الذي يشمل تنفيذ العمليات على القيم الموجودة في المسجلات وتحميل القيم وتخزينها بصورة صريحة من الذاكرة وإليها، كما يمكن أن يكون نهج CISC مجرد تعليمات مفردة تأخذ قيمًا من الذاكرة وتنفذ عملية الجمع داخليًا ثم تكتب النتيجة، وهذا يعني أنّ التعليمات يمكن أن تستغرق عدة دورات، ولكن كلا النهجين يحققان في النهاية الهدف نفسه. تُعَدّ جميع المعماريات الحديثة معماريات RISC حتى معمارية إنتل بنتيوم Intel Pentium الأكثر شيوعًا والتي تهدم التعليمات داخليًا إلى تعليمات فرعية بأسلوب RISC داخل الشريحة قبل التنفيذ، بالرغم من وجود مجموعة تعليمات مصنَّفة على أنها CISC، وهناك عدة أسباب لذلك وهي: تجعل معمارية RISC البرمجة بلغة التجميع Assembly أكثر تعقيدًا، نظرًا لأن جميع المبرمجين تقريبًا يستخدِمون لغات عالية المستوى ويتركون العمل الشاق لإنتاج شيفرة التجميع للمصرّف Compiler، وبالتالي ستتفوق المزايا الأخرى على هذا العيب. بما أنّ التعليمات الموجودة في معالج RISC أبسط، فهناك مساحة أكبر ضمن شريحة المسجلات، إذ تُعَدّ المسجلات أسرع أنواع الذواكر كما نعلم من تسلسل الذواكر الهرمي، ويجب في النهاية تنفيذ جميع التعليمات على القيم المحفوظة في المسجلات، لذا ستؤدي زيادة عدد المسجلات إلى أداء أعلى عند تكافؤ جميع الأشياء الأخرى. بما أنّ جميع التعليمات تُنفَّذ في الوقت نفسه، فسيكون استخدام خطوط الأنابيب ممكنًا، وكما نعلم أنّ استخدام خط الأنابيب يتطلب تدفقات من التعليمات باستمرار إلى المعالج، لذلك إذا استغرقت بعض التعليمات وقتًا طويلًا جدًا دون أن تتطلب التعليمات الأخرى ذلك، فسيصبح خط الأنابيب معقدًا ليكون فعّالًا. معمارية EPIC يُعَدّ معالج إيتانيوم Itanium مثالًا على معمارية معدَّلة تسمى الحوسبة الصريحة للتعليمات الفرعية Explicitly Parallel Instruction Computing. ناقشنا سابقًا كيف أنّ المعالجات الفائقة لها خطوط أنابيب بها العديد من التعليمات في الوقت نفسه ضمن أجزاء مختلفة من المعالج، إذ يمكن تحقيق ذلك من خلال إعطاء التعليمات للمعالج بالترتيب الذي يمكن أن يحقق أفضل استفادة من العناصر المتاحة في وحدة المعالجة المركزية، وقد كان تنظيم مجرى التعليمات الواردة تقليديًا مهمة العتاد، إذ يصدر البرنامج التعليمات بطريقة تسلسلية، ويجب أن ينظر المعالج إلى الأمام ويحاول اتخاذ قرارات حول كيفية تنظيم التعليمات الواردة. الفكرة وراء معمارية EPIC هي أنّ هناك مزيد من المعلومات المتاحة على مستويات أعلى والتي يمكن أن تجعل هذه القرارات أفضل مما يفعله المعالج، ويؤدي تحليل مجرًى من تعليمات لغة التجميع -كما تفعل المعالجات الحالية- إلى فقدان الكثير من المعلومات التي قدّمها المبرمج في الشيفرة البرمجية الأصلية. فكر في الأمر على أنه الفرق بين دراسة مسرحية لشكسبير وقراءة نسخة ملاحظات الجرف Cliff's Notes من المسرحية نفسها، فكلاهما يمنحك النتيجة نفسها، ولكن النسخة الأصلية تحتوي على جميع أنواع المعلومات الإضافية التي تحدد المشهد وتعطيك فهمًا جيدًا للشخصيات، وبالتالي يمكن نقل منطق ترتيب التعليمات من المعالج إلى المصرّف، وهذا يعني أنّ مطوِّري المصرّفات يجب أن يكونوا أذكى في محاولة العثور على أفضل ترتيب للشيفرة البرمجية للمعالج، كما يجب تبسيط المعالج كثيرًا، إذ نُقِل الكثير من عمله إلى المصرِّف. يوجد مصطلح آخر غالبًا ما يُستخدَم مع معمارية EPIC وهو عالم التعليمات الطويلة جدًا Very Long Instruction World -أو VLIW اختصارًا-، إذ تُوسَّع كل تعليمة للمعالج لإخباره بالمكان الذي يجب أن ينفّذ فيه التعليمة في وحداته الداخلية، وتكمن مشكلة هذا الأسلوب في أنّ الشيفرة البرمجية تعتمد كليًا على طراز المعالج الذي صُرِّفت الشيفرة البرمجية من أجله، كما تُجري الشركات دائمًا مراجعات على العتاد، وتجعل العملاء يعيدون تصريف تطبيقاتهم في كل مرة، مما جعل صيانة مجموعة من الشيفرات البرمجية الثنائية المختلفة أمرًا غير عملي. تحل معمارية EPIC هذه المشكلة بطريقة علوم الحاسوب المعتادة من خلال إضافة طبقة من التجريد، كما تنشئ معمارية EPIC عرضًا مبسطًا مع بعض الوحدات الأساسية مثل الذاكرة ومسجّلات الأعداد الصحيحة والعشرية بدلًا من التحديد الصريح للجزء الدقيق من المعالج الذي يجب أن تنفّذ التعليمات عليه. ترجمة -وبتصرُّف- للقسم The CPU من الفصل Computer Architecture من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand. اقرأ أيضًا المقال السابق: تمثيل الأنواع والأعداد في الأنظمة الحاسوبية المقال التالي: نظرة عميقة على تسلسل الذواكر الهرمي والذاكرة المخبئية في معمارية الحاسوب وحدة المعالجة المركزية المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب

يجب التصريح عن نوع كل متغير في اللغة التي يحدَّد فيها نوع المتغير typed language مثل اللغة C، إذ يُعلِم النوع المصرِّف مالذي يتوقع تخزينه في المتغير، وبالتالي يستطيع المصرّف تخصيص مساحة كافية لهذا الاستخدام، والتحقق من أن المبرمج لا ينتهك قيود النوع المحدَّد معايير اللغة C من الضروري الاطلاع قليلًا على تاريخ اللغة البرمجية C على الرغم من الاختلاف الطفيف بينها وبين بقية اللغات، إذ تُعَدّ C بأنها اللغة السائدة في عالم برمجة الأنظمة، فكل نظام تشغيل ومكتباته المرتبطة به التي يشيع استخدامها مكتوبة باللغة C، كما يوفِّر كل نظام مصرِّفًا compiler للغة C، وقد وضِع معيار صارم لهذه اللغة للحد من اختلافها بين هذه الأنظمة والتي من المؤكد أنّ كل منها سيجري العديد من التغييرات التي لن تتوافق مع بعضها. يُعرَف هذا المعيار رسميًا باسم ISO/IEC 9899:1999(E)‎، لكن يشار إليه عادةً بالاختصار C99، إذ تشرف عليه منظمة المعايير الدولية ISO، كما أتيح شراء المعيار كاملًا على الإنترنت، ولم تَعُد الإصدارات القديمة من هذا المعيار مثل الإصدار C89 -الذي سبق C99 وأصدِر في عام 1989- و ANSI C شائعة الاستخدام، وأصبحت جزءًا من أحدث معيار، كما أنّ توثيق المعيار تقني بحت ويذكر بالتفصيل تقريبًا جميع نواحي اللغة، إذ يشرح مثلًا بنيتها بصيغة باكوس نور Backus Naur وقيم define# المعيارية والآلية التي يجب أن تعمل وفقها العمليات. من الضروري أيضًا ملاحظة ما الذي لا تحدده معايير اللغة C، والأهم من ذلك أنه يجب أن يكون المعيار ملائمًا لكل معمارية حاسوبية حالية ومستقبلية، وبالتالي يحرص على عدم تحديد المجالات التي تعتمد على المعمارية، كما يُعَدّ الرابط بين معيار اللغة C والمعمارية الأساسية هو واجهة التطبيق الثنائية Application Binary Interface -أو ABI اختصارًا- التي سنتحدث عنها لاحقًا، كما سيذكر المعيار في عدة مواضع أن أية عملية أو بنية معيّنة سيكون لها نتيجة غير محددة أو نتيجة تعتمد على التنفيذ، ومن البديهي أن المبرمج لا يمكنه الاعتماد على هذه النتائج إذا كان يريد كتابة شيفرة برمجية محمولة portable. جنو سي GNU C ينفِّذ مصرِّف GNU C -والذي يشار إليه عادةً بالاختصار gcc- معيار C99 بالكامل تقريبًا، ويطبِّق أيضًا مجموعة إضافات للمعيار سيستخدمها المبرمجون غالبًا للحصول على خصائص وظيفية إضافية على حساب قابلية النقل إلى مصرِّف آخر، إذ ترتبط هذه الإضافات عادةً بالشيفرة البرمجية ذات المستوى المنخفض low level code وهي أكثر شيوعًا في مجال برمجة النظم؛ أما أكثر إضافة يشيع استخدامها في هذا المجال، فهي شيفرة التجميع المُضمّن inline assembly، كما يجب على المبرمجين قراءة توثيق مصرِّف GNU C وفهم متى قد يستخدِمون الخصائص الإضافية على المعيار. يمكن توجيه مصرِّف GNU C للالتزام بدقة بالمعيار مثل راية std = c99- والتحذير أو توليد خطأ عند تنفيذ أمور معينة لا تتوافق مع المعيار. وهذا طبعًا يناسبك عندما تكون بحاجة إلى ضمان إمكانية نقل شيفرتك البرمجية بسهولة إلى مصرِّف آخر. الأنواع نحن المبرمجون معتادون على استخدام المتغيرات لتمثيل مساحة من الذاكرة لتحمل قيمةً، إذ يجب التصريح عن نوع كل متغير في اللغة التي يُحدَّد فيها نوع المتغير typed language مثل اللغة C، كما يخبر النوع المصرِّف مالذي يتوقع تخزينه في المتغير، وبالتالي سيستطيع المصرِّف تخصيص مساحة كافية لهذا الاستخدام والتحقق من أنّ المبرمج لا ينتهك قيود النوع المحدَّد، وسنجد في الصورة التالية مثالًا على المساحة المخصصة لبعض الأنواع الشائعة من المتغيرات. (الأنواع) يذكر معيار C99 أصغر حجم ممكن لكل نوع من أنواع المتغيرات المعرَّفة في اللغة C فقط، وذلك لأنّ الحجم الأمثل للأنواع يختلف اختلافًا كبيرًا بين مختلف معماريات المعالجات وأنظمة التشغيل، ولكي تكون العملية صحيحةً تمامًا يجب ألا يفترض المبرمجون أبدًا حجم أيّ من متغيراتهم، لكن يحتاج نظام التشغيل الفعال بطبيعة الحال إلى اتفاقات حول الأحجام التي ستحجزها أنواع المتغيرات في النظام، كما تتقيد كل معمارية ونظام تشغيل بواجهة التطبيق الثنائية Application Binary Interface -أو ABI اختصارًا-، إذ تملأ واجهة التطبيق الثنائية لنظام ما التفاصيل التي تربط بين معيار اللغة C ومتطلبات العتاد الصلب الأساسي ونظام التشغيل، كما تُكتَب واجهة التطبيق الثنائية لمجموعة محدَّدة من المعالج ونظام التشغيل. table { width: 100%; } thead { vertical-align: middle; text-align: center; } td, th { border: 1px solid #dddddd; text-align: right; padding: 8px; text-align: inherit; } tr:nth-child(even) { background-color: #dddddd; } النوع الحجم الأدنى وفق معيار C99 بواحدة البِتّ الحجم الشائع أي معمارية 32 بِتّ char 8 8 short 16 16 int 16 32 long 32 32 long long 64 64 المؤشرات Pointers حسب التنفيذ 32 نلاحظ في مثالنا السابق أنّ الاختلاف الوحيد عن المعيار C99 هو أن حجم المتغير من نوع int هو 32 بِتّ عادةً، وهو ضعف الحد الأدنى الصارم لحجم 16 بت الذي يتطلبه المعيار C99، كما أنّ المؤشرات Pointers هي فعليًا عنوان فقط، أي أنّ قيمتها تكون عنوانًا وبالتالي "تشير" إلى موقع آخر في الذاكرة، لذا يجب تخصيص حجم كافٍ للمؤشر حتى يتمكن من عنونة أيّ موقع في ذاكرة النظام. 64 بت إحدى النواحي المربِكة هي إدراج حوسبة 64 بت، إذ يعني هذا أنّ المعالج يمكنه معالجة العناوين التي تخزَّن على 64 بت وتحديدًا تكون سعة السجلات 64 بِتّ، وهو موضوع سنتناوله في مقال لاحق من هذه السلسلة. يعني هذا أولًا أنّ جميع المؤشرات يجب أن تكون بحجم 64 بِتّ حتى تتمكن من تمثيل أيّ عنوان محتمل في النظام، لكن عندها يجب على منفّذِي النظام system implementers تحديد حجم الأنواع الأخرى، في حين ينتشر استخدام نموذجَين شائعَين على نطاق واسع كما هو موضح في الجدول التالي: النوع الحجم الأدنى وفق معيار C99 بواحدة البِتّ الحجم الشائع LP64 الحجم الشائع في نظام التشغيل ويندوز char 8 8 8 short 16 16 16 int 16 32 32 long 32 64 32 long long 64 64 64 المؤشرات Pointers حسب التنفيذ 64 64 يمكنك ملاحظة أنه في نموذج long pointer 64 أي المؤشرالطويل 64 -أو LP64 اختصارًا- يحدَّد حجم قيم المتغير من نوع Long بـ 64 بِتّ، وهذا يختلف عن نموذج 32 بِتّ الذي عرضناه سابقًا، إذ يستخدَم نموذج LP64 في أنظمة UNIX على نطاق واسع؛ أما في النموذج الآخر، فيبقى حجم المتغير من نوع long بقيمة 32 بت، وهذا يحافظ على أقصى قدر ممكن من التوافق مع الشيفرة البرمجية بنظام 32، إذ يُستخدَم هذا النموذج في نظام ويندوز الذي يدعم 64 بِتّ. تكمن أسباب وجيهة خلف عدم زيادة حجم المتغير من نوع int إلى 64 بِتّ في أيّ من النموذجين، فإذا زاد حجم هذا المتغير إلى 64 بِتّ، فلن تترك للمبرمجين أيّ طريقة للحصول على متغير بحجم 32 بِتّ، وستكون الطريقة الوحيدة هي إعادة تعريف المتغيرات من نوع short لتكون من نوع 32 بِتّ الأكبر. يُعَدّ المتغير بحجم 64 بِتّ كبيرًا جدًا لدرجة أنه ليس مطلوبًا عمومًا لتمثيل العديد من المتغيرات، فنادرًا ما تتكرر الحلقات loops مثلًا عدد مرات أكبر من أن يتسع في متغير حجمه 32 بِتّ الذي يتسع لـ 4294967296 مرة، وعادةً ما تمثَّل الصور بثمانية بِتّات لكل من قيم الأحمر والأخضر والأزرق وثمانية بِتّات إضافية مخصصة للمعلومات الإضافية (قناة ألفا) ما مجموعه 32 بِتّ، وبالتالي سيؤدي استخدام متغير بحجم 64 بِتّ في كثير من الحالات إلى إهدار أول 32 بِتّ على الأقل إذا لم يُهدَر أكثر من ذلك، وليس هذا فحسب، وإنما حجم مصفوفة عدد صحيح integer يتضاعف بذلك أيضًا. يعني هذا أنّ البرامج ستستهلك حجمًا أكبر من ذاكرة النظام دون أيّ تحسن يذكر في أدائه، وبالتالي حجمًا أكبر من ذاكرة التخزين المؤقت cache التي سنتحدث عنها بالتفصيل في مقال لاحق من هذه السلسلة، ولهذا السبب اختار نظام ويندوز الاحتفاظ بتخزين قيم المتغيرات من نوع long في 32 بت، فبما أنّ الكثير من واجهات API على نظام ويندوز قد كُتبَت في الأصل لاستخدام متغيرات من نوع long مخزَّنة على نظام 32 بِتّ، لذا لا تحتاج إلى بِتّات إضافية، مما سيوفر ذلك مساحةً مهدورةً كبيرةً في النظام دون الحاجة إلى إعادة كتابة كامل واجهة API. إذا جربنا البديل المقترَح المتمثل في إعادة تعريف المتغير من نوع short ليكون متغيرًا يخزَّن على 32 بِتّ، فسيستطيع المبرمجون الذين يعملون على نظام 64 بِتّ تحديد هذا النوع للمتغيرات التي يعلمون أنها مرتبطة بقيم أصغر، ولكن عند العودة إلى نظام 32 بِتّ، فسيكون متغير short نفسه الذي حددوه الآن بحجم 16 بِتّ فقط، وهي قيمة تجاوزوها بمراحل كبيرة عمليًا، أي 2‎10 = 65536. سيحقق جعل المبرمج يطلب متغيرات أكبر حجمًا عندما يعلم أنه سيحتاج إليها توازنًا فيما يتعلق بمخاوف قابلية النقل وإهدار المساحة في الأنظمة الثنائية. مؤهلات الأنواع يتحدث معيار اللغة C أيضًا عن بعض المؤهلات qualifiers لأنواع المتغيرات، إذ يشير المؤهل const مثلًا إلى أنّ المتغير لن تُعدَّل قيمته الأصلية أبدًا، والمؤهل volatile يقترح على المصرِّف بأنّ قيمة المتغير قد تتغير بعيدًا عن تدفق تنفيذ البرنامج، لذا يجب أن يحرص المصرِّف على عدم إعادة ترتيب الوصول إليه بأيّ شكل من الأشكال، كما يُعَدّ كل من مؤهل المؤشَّر signed ومؤهل غير المؤشَّر unsigned أنهما المؤهلَين الأهم على الأرجح، فهما يحدِّدان فيما إذا كان يُسمَح للمتغير بأن يأخذ قيمةً سالبةً أم لا، وسنتناول هذا بالتفصيل لاحقًا. الغرض من جميع المؤهلات هو تمرير معلومات إضافية للمصرِّف حول كيفية استخدامِه للمتغير، ويعني هذا أمرَين وهما أنّ المصرِّف قادر على التحقق مما إذا انتهكت القواعد التي وضعتها بنفسك مثل الكتابة في متغير قيمته ثابتة const، وقادر على إجراء تحسينات بناءً على المعلومات الإضافية، وسندرس هذا في مقالات لاحقة من هذه السلسلة. الأنواع المعيارية يدرك واضعو معيار C99 أنّ كل هذه القواعد والأحجام ومخاوف توفر قابلية للنقل قد تصبح مربكةً جدًا، ولتسهيل الأمر فقد قدموا في المعيار سلسلةً من الأنواع الخاصة التي تحدِّد الخصائص المضبوطة للمتغير، وتُحدَّد في الترويسة <stdint.h> وصيغتها qtypes_t، إذ يرمز المحرف q إلى المؤهل ويرمز type إلى النوع الأساسي، في حين يرمز المحرف s إلى الحجم بواحدة البِتّ وt- هو امتداد يشير إلى أنك تستخدِم الأنواع المعرَّفة في معيار C99. تشير الصيغة uint8_t مثلًا إلى عدد صحيح غير مؤشَّر يخزَّن على 8 بِتّات بالضبط، وقد عُرِّفَت العديد من الأنواع الأخرى، إذ يمكنك الاطلاع على القائمة الكاملة المفصَّلة في مقطع المكتبة المعيارية 17.8 لمعيار C99 أو في ملف الترويسة الموجود بصورة مشفَّرة، كما إنّ توفير هذه الأنواع هي مهمة النظام الذي يطبق معيار C99 بأن يحدِّد لها الأنواع ذات الحجم الملائم على النظام المستهدَف، فمثلًا توفِّر مكتبات النظام هذه الترويسات في نظام التشغيل لينكس. لاحظ أنّ معيار C99 فيه عوامل مساعدة لتحقيق قابلية النقل لـ printf، إذ يمكن استخدام وحدات ماكرو PRI macros في <inttypes.h> على أساس عوامل محددة للأنواع التي حُدِّدت أحجامها، وكما ذكرنا يمكنك الاطلاع على المعلومات كاملةً في المعيار أو باستخراج الترويسات. التطبيق العملي للأنواع نرى في النموذج التالي الذي يمثِّل التحذيرات التي ترد عندما لا تتطابق الأنواع مثالًا على فرض الأنواع قيودًا تحدِّد أيّ العمليات المتاح تنفيذها على المتغير وكيف يستعين المصرِّف بهذه المعلومات ليعرض تحذيرًا عند استخدام المتغيرات بطريقة تخالف تلك القيود، إذ نبدأ في هذه الشيفرة البرمجية بإسناد قيمة عدد صحيح integer للمتغير char، وبما أنّ حجم المتغير char أصغر، فسنفقد القيمة الصحيحة للعدد الصحيح integer. نحاول بعدها تعيين مؤشر pointer للمتغير char يشير إلى الذاكرة التي حددنا بأنها عدد صحيح integer، ويمكن تنفيذ هذه العملية، لكنها ليست آمنةً، لذا نُفِّذ المثال الأول على جهاز معالجه بينتيوم Pentium ذو 32 بِتّ، وأعيدَت القيمة الصحيحة، لكن يبلغ حجم المؤشر 64 بتّ -أي 8 بايت- في نظام معالجه إيتانيوم Itanium ذو 64 بِتّ كما هو موضح في المثال الثاني، ولكن حجم العدد الصحيح integer يبلغ 4 بايت فقط، وبالطبع لن تتسع 8 بايت في 4 بايت. يمكننا محاولة خداع المصرف بتحويل القيمة قبل إسنادها، ولاحظ أننا في هذه الحالة فاقمنا المشكلة عندما نفَّذنا هذا التحويل وتجاهلنا تحذير المصرف، لأنّ المتغير الأصغر لا يمكنه الاحتفاظ بجميع المعلومات الواردة من المؤشر، فنتلقى في النهاية عنوانًا غير صالح. 1 /* * types.c */ 5 #include <stdio.h> #include <stdint.h> int main(void) { 10 char a; char *p = "hello"; int i; 15 // نقل متغير كبير إلى متغير أصغر منه i = 0x12341234; a = i; i = a; printf("i is %d\n", i); 20 // ‫‎نقل المؤشر ليشير إلى متغير من نوع ‎integer‎ printf("p is %p\n", p); i = p; // الخداع بإجراء التحويلات 25 i = (int)p; p = (char*)i; printf("p is %p\n", p); return 0; 30 } 1 $ uname -m i686 $ gcc -Wall -o types types.c 5 types.c: In function 'main': types.c:19: warning: assignment makes integer from pointer without a cast $ ./types i is 52 10 p is 0x80484e8 p is 0x80484e8 $ uname -m ia64 15 $ gcc -Wall -o types types.c types.c: In function 'main': types.c:19: warning: assignment makes integer from pointer without a cast types.c:21: warning: cast from pointer to integer of different size 20 types.c:22: warning: cast to pointer from integer of different size $ ./types i is 52 p is 0x40000000000009e0 25 p is 0x9e0 تمثيل الأعداد سنشرح كيفية تمثيل الأعداد بمختلف مجالاتها مثل الأعداد السالبة والأعداد العشرية وغيرهما. القيم السلبية نميِّز العدد السالب في نظامنا العشري الحديث بوضع علامة الطرح - قبله؛ أما عندما نستخدِم النظام الثنائي، فعلينا اتباع أسلوب مختلف عند الإشارة إلى الأرقام السالبة، إذ يوجد نظام وحيد شائع استخدامه في العتاد الصلب الحديث، لكن معيار C99 يحدِّد ثلاثة أساليب مقبولة لتمثيل القيمة السلبية. بت الإشارة Sign Bit أبسط طريقة هي تخصيص بت واحد من العدد يشير إلى قيمة سالبة أو موجبة حسب هل هو محدَّد أم لا، وهذا مشابه للنهج الرياضي الذي يبين قيمة العدد بإشارتي + و-، إذ يُعَدّ هذا منطقيًا نوعًا ما، وقد مثّلت بعض أجهزة الحاسوب الأولية أعدادًا سالبةً بهذه الطريقة، لكن يتيح استخدام الأعداد الثنائية بعض الاحتمالات الأخرى التي تسهِّل عمل مصممي العتاد الصلب. لاحظ أنّ القيمة 0 قد أصبح لها الآن قيمتان مكافئتان، واحدة حُدِّد فيها بِتّ إشارة وواحدة دون تحديده، وقد يُشار أحيانًا إلى هذه القيم بـ 0+ و 0- على التوالي. المتمم الأحادي One's complement يطبِّق نهج المتمِّم الأحادي العملية not على العدد الموجب لتمثيل العدد السالب، لذا تمثَّل القيمة 90- (0x5A-) مثلًا بـ 10100101 = 01011010~. لاحظ أن العامِل ~ هو عامِل في اللغة C الذي يطبق عامِل NOT على القيمة، كما يدعى أحيانًا بعامِل المتمم الأحادي لأسباب صارت معروفة لدينا الآن. الميزة الأكبر في هذا النظام هي أنه لا يشترط تطبيق منطق خاص عند إضافة عدد سالب إلى عدد موجب، باستثناء أنه يجب إضافة أيّ حمل carry إضافي متبقي إلى القيمة النهائية، لذا تأمل الجدول التالي: النظام العشري النظام الثنائي العملية 90- 10100101 + 100 01100100 --- -------- 10 00001001 1 9 00001010 10 إذا أضفت البتات الواحد تلو الآخر، فستجد أنه سينتج لديك في النهاية بِتّ حمل carry bit الموضَّح في الجدول، وستنتج لدينا القيمة الصحيحة 10 بإضافته مجددًا إلى العدد الأصلي. مجددًا لا تزال لدينا مشكلة تمثيل الصِفرين، ولا يوجد حاسوب حديث يستخدِم المتمم الأحادي، والسبب الرئيسي في ذلك وجود نظام أفضل. المتمم الثنائي Two's Complement يتشابه المتمم الثنائي تمامًا مع المتمم الأحادي، باستثناء أنّ التمثيل السالب يضاف إليه واحد ونتجاهل أيّ بِتّات حمل متبقية، فإذا طبقناه على المثال السابق، فسنمثِّل العدد 90- وفق ما يلي: ~01011010+1=10100101+1 = 10100110 يعني هذا أنّ هناك تماثلًا غريبًا بعض الشيء في الأعداد التي يمكن تمثيلها؛ ففي العدد الصحيح integer مثلًا الذي يخزَّن على 8 بِتّ لدينا 82 = 256 قيمة ممكنة، كما يمكننا تمثيل 127- في نهج تمثيل بِتّ الإشارة بواسطة 127، لكن يمكننا تمثيل 127- في نظام المتمم الثنائي بواسطة 128 لأننا أزلنا مشكلة وجود صفرين، وضَع في الحسبان أنّ الصفر السالب هو (1 + 00000000~) = (1 + 11111111) = 00000000، ولاحظ تجاهل بِتّ الحمل. النظام العشري النظام الثنائي OP العملية 90- 10100110 + 100 01100100 --- -------- 10 00001010 لا بدّ أنك لاحظت أنّ تطبيق المتمم الثنائي لن يُحيج مصممي العتاد الصلب إلا إلى توفير عمليات منطقية لدارات الإضافة، إذ يمكن إجراء عملية الطرح عن طريق متمم ثنائي ينفي القيمة المراد طرحها ثم يضيف القيمة الجديدة، وبالمثل يمكنك تنفيذ عملية الضرب بالجمع المتكرر وعملية القسمة بالطرح المتكرر. وبالتالي يختزل المتمم الثنائي جميع العمليات الحسابية البسيطة بعملية الجمع، ومن الجدير بالذكر أنه تستخدِم جميع الحواسيب الحديثة تمثيل المتمم الثنائي. امتداد الإشارة Sign-extension بناءً على صيغة المتمم الثنائي، عند زيادة حجم القيمة المؤشَّرة signed value، من المهم أن تمدَّد إشارة sign-extended البتات الإضافية، أي المنسوخة من البِتّ الأولي للقيمة الحالية، إذ تمثَّل قيمة العدد الصحيح 10- من نوع int المخزَّن على 32 بت في المتمم الثنائي في النظام الثنائي عبى سبيل المثال بالعدد 111111111111111111111111110110، فإذا أردنا تحويله إلى عدد صحيح من نوع long long int مخزَّن على 64 بِتّ، فعلينا أن نحرص على تعيين الرقم 1 للـ 32 بِتّ الإضافية للاحتفاظ بالإشارة نفسها للعدد الأصلي. بفضل المتمم الثنائي، يكفي أخذ البِتّ الأولي من قيمة الخرج exiting value واستبدال جميع البتات المضافة بهذه القيمة، ويشار إلى هذه العمليات باسم امتداد الإشارة، وعادةً يتعامل معها المصرِّف في الحالات المحدَّدة في معيار اللغة، مع توفير المعالج عمومًا تعليمات خاصة لأخذ قيمة وتمديد إشارتها إلى قيمة أكبر. الأعداد العشرية Floating Point تحدثنا حتى الآن عن الأعداد الصحيحة integer أو الأعداد الكاملة فقط، وتسمى فئة الأعداد التي يمكن أن تمثِّل القيم العشرية بالأعداد العشرية. نحتاج لإنشاء عدد عشري إلى طريقة لتمثيل مفهوم الجزء العشري في النظام الثنائي، ويُعرف النظام الأشيع الذي يحقق ذلك بمعيار الأعداد العشرية IEEE-754 لأن من نشره كان معهد مهندسي الكهرباء والإلكترون، كما يُعَدّ النظام بسيط للغاية من ناحية المفهوم، وهو مشابه إلى حد ما للصيغة العلمية scientific notation. قد تمثَّل القيمة 123.45 عمومًا في الصيغة العلمية بالصيغة ‎1.2345*102‎، إذ نسمي 1.2345 الجزء المعنوي significand (أو الجزء الأهم الأساسي الذي له أهمية)؛ أما 10 فهو الأساس radix و 2 هو الأُس exponent. نفكك البتات المتاحة في نموذج العدد العشري IEEE لنمثِّل الإشارة والجزء العشري وأس العدد العشري، إذ يمثَّل العدد العشري بالصيغة: "الإشارة × الجزء المعنوي × الأس2"، ويعادل بِتّ الإشارة إما 1 أو 1-، وبما أننا نعمل في النظام الثنائي، فسيكون لدينا دائمًا الأساس الضمني 2، كما تتنوع أحجام قيمة العدد العشري، وسندرس في الفقرة التالية القيمة التي تخزَّن على 32 بت فقط، وكلما زاد عدد البتات حظينا بدقة أكبر. الإشارة الأس الجزء المعنوي/الجزء العشري S EEEEEEEE MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM العامل المهم الآخر هو انحياز bias الأس، إذ يجب أن يمثِّل الأس القيم الموجبة والسالبة، وبالتالي تُطرَح القيمة الضمنية للعدد 127 من الأس، إذ يحتوي الأس 0 مثلًا على حقل أس يساوي 127، في حين يمثِّل 128 العدد 1 ويمثل 126 العدد 1-. يضيف كل بِتّ من الجزء المعنوي مزيدًا من الدقة إلى القيم التي يمكننا تمثيلها، وضَع في الحسبان تمثيل الصيغة العلمية للقيمة 198765، إذ يمكننا كتابة هذا بالصيغة 1.98765x106، الذي يقابل التمثيل التالي: 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 . 100 5 6 7 8 9 . 1 يتيح كل رقم إضافي مجالًا أكبر من القيم العشرية التي يمكننا تمثيلها، إذ يزيد كل رقم بعد الفاصلة العشرية من دقة العدد بمقدار 10 مرات في النظام العشري، فيمكننا مثلًا تمثيل 0.0 بـ 0.9 -أي 10 قيم- برقم واحد بعد الفاصلة عشرية، و0.00 بـ 0.99 -أي 100 قيمة- برقمين، وهكذا؛ أما في النظام الثنائي، فبدلًا من أن يمنحنا كل رقم إضافي دقة أكبر بعشر أضعاف، لا نحظى إلا بضعفَي الدقة كما هو موضَّح في الجدول التالي، ويعني هذا أنّ التمثيل الثنائي الخاص لا يوجّهنا دائمًا بطريقة مباشرة إلى التمثيل العشري. 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 . 100 5 6 7 8 9 . 1 لا تكون دقة كسورنا كبيرةً جدًا باستخدام بِتّ واحد فقط للدقة، فلا يسعنا إلا أن نقول أنّ الكسر إما 0 أو 0.5، فإذا أضفنا بِتًّا آخرًا للدقة، فيمكننا الآن القول أن القيمة العشرية هي إما 0 أو 0.25 أو 0.5 أو 0.75. ومع إضافة بِتّ آخر للدقة يمكننا الآن تمثيل القيم 0، 0.125، 0.25، 0.375، 0.5، 0.625، 0.75، 0.875. وبالتالي فكلما زدنا عدد البِتّات حظينا بدقة أكبر، لكن بما أنّ مجال الأعداد المحتملة غير محدود، فلن تكفي البِتَات أبدًا لتمثيل أية قيمة محتمَلة، فإذا كان لدينا بِتّين فقط للدقة على سبيل المثال، وأردنا تمثيل القيمة 0.3، فلا يمكننا القول إلا أنها أقرب إلى 0.25، وطبعًا هذا غير كاف في معظم التطبيقات، لكن عندما يكون لدينا 22 بِتّ للجزء المعنوي، فسنحظى بدقة أفضل بكثير، لكن لا يزال ذلك غير كاف في معظم التطبيقات. تزيد قيمة متغير من نوع double عدد بتات الجزء المعنوي إلى 52 بت، كما أنها تزيد مجال قيم الأس أيضًا، كما تخصص بعض الأجهزة 84 بِتّ للعدد العشري، و64 بِتّ للجزء المعنوي، إذ تتيح 64 بِتّ تلك دقةً هائلةً لا بدّ أن تكون مناسبةً لجميع التطبيقات،لشمهم باستثناء التطبيقات شديدة التعقيد والتي تحتاج حجمًا أكبر ( هل هذا كافٍ لتمثيل طول أقل من حجم الذرة؟). 1 $ cat float.c #include <stdio.h> int main(void) 5 { float a = 0.45; float b = 8.0; double ad = 0.45; 10 double bd = 8.0; printf("float+float, 6dp : %f\n", a+b); printf("double+double, 6dp : %f\n", ad+bd); printf("float+float, 20dp : %10.20f\n", a+b); 15 printf("dobule+double, 20dp : %10.20f\n", ad+bd); return 0; } 20 $ gcc -o float float.c $ ./float float+float, 6dp : 8.450000 double+double, 6dp : 8.450000 25 float+float, 20dp : 8.44999998807907104492 dobule+double, 20dp : 8.44999999999999928946 $ python Python 2.4.4 (#2, Oct 20 2006, 00:23:25) 30 [GCC 4.1.2 20061015 (prerelease) (Debian 4.1.1-16.1)] on linux2 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> 8.0 + 0.45 8.4499999999999993 35 يُعَدّ النموذج السابق مثالًا عمليًا لما تحدثنا عنه، ولاحظ أنه تتطابق الإجابتان بالنسبة للأجزاء العشرية الستة الافتراضية لتحقيق الدقة التي حددناها في printf، وذلك لأن عملية تقريبهما نفِّذت تنفيذًا صحيحًا، لكن عندما يُطلب منك إعطاء نتائج بدقة أكبر ولتكن في هذه الحالة 20 منزلة عشرية، فسنجد أنها تبدأ في الاختلاف. منحتنا الشيفرة البرمجية التي تستخدِم النوع double نتيجةً أدق، لكنها لا تزال غير صحيحة كليًا، كما أننا نجد أنّ المبرمجين الذين لا يتعاملون بوضوح مع القيم من نوع float لا يزالون يواجهون مشاكل في دقة المتغيرات. القيم الموحدة Normalised Values يمكننا تمثيل قيمة بعدة أساليب مختلفة في الصيغة العلمية مثل 10023x100 = 1002.3x101 = 100.23x102، وبالتالي نعرّف صيغة التوحيد بأنه الصيغة التي يكون فيها ‎1/radix <= significand < 1، إذ تعني radix الأساس وتعني significand الجزء المعنوي، والعدد الموحَّد normalized number هو العدد المكتوب بالصيغة العلمية scientific notation مع رقم عشري واحد غير صفري على الأقل بعد الفاصلة. يضمن هذا في النظام الثنائي أن يكون البِتّ الذي يقع أقصى اليسار leftmost bit من الجزء المعنوي دائمًا 1، فعند معرفتنا لذلك، يمكننا الحصول على بِتّ إضافي للدقة حسب ما ورد في المعيار أنه عندما يكون البت الأيسر 1 يكون ضمنيًا. العملية الحسابية الأس 2-5 2-4 2-3 2-2 2-1 . 20 0.375 = 1* (0.25+0.125) 02 0 0 1 1 0 . 0 0.375= 5. * (0.5+0.25) 1-2 0 0 0 1 1 . 0 0.375= 0.25 * (1+0.5) 2-2 0 0 0 0 1 . 1 كما ترى في المثال السابق، يمكننا جعل القيمة قيمة موحَّدة من خلال تحريك البِتّات للأمام طالما أننا نعوِّض عن ذلك بزيادة الأس. مهارات التوحيد Normalisation من المشكلات الشائعة التي يواجهها المبرمجون هي العثور على أول بِتّ ضبط في مجموعة البِتّات bitfield، ولنأخذ مجموعة البتات 0100 مثالًا، فعند البدء من اليمين، يكون بِتّ الضبط الأول هو البِتّ 2، إذ نبدأ من الصفر كما هو معتاد. الطريقة المعيارية للعثور على هذه القيمة هي الإزاحة إلى اليمين والتحقق مما إذا كان البِتّ الأول هو 1 أي بت الضبط، ثم إنهاء العملية أو تكرارها، وتُعَدّ هذه عمليةً بطيئةً، فإذا كان طول مجموعة البِتّات 64 بِتّ وكان بِتّ الضبط هو الأخير فقط، فيجب أن تمر بجميع البتات الثلاثة والستين التي تسبقها. لكن إذا كانت قيمة مجموعة البتات هذه هي الجزء المعنوي لعدد عشري وكان علينا توحيدها، فسنعرف من قيمة الأس عدد مرات إزاحتها، كما تضمَّن عملية التوحيد عمومًا في وحدة عتاد العدد العشري على المعالج، لذا تؤدَّى بسرعة كبيرة، وعادةً أسرع بكثير من عمليات الإزاحة والاختبار المتكررة. يوضِّح البرنامج التالي طريقتين للعثور على أول بِتّ ضبط متَّبعتَين على معالج إتانيوم. إذ يدعم المعالج إتانيوم -مثل حال معظم معالجات الخوادم- نوع العدد العشري الموسَّع الذي يخزَّن على 80 بِتّ، والجزء المعنوي الذي يخزن على 64 بِتّ، ويعني هذا أنّ نوع unsigned long يتوافق بدقة في الجزء المعنوي لنوع long double، فعندما تحمَّل القيمة توحَّد، وبالتالي من خلال قراءة قيمة الأس مطروحًا منها انحياز 16 بِتّ يمكننا رؤية مدى انزياحها. 1 #include <stdio.h> int main(void) { 5 // ‫ في التمثيل الثنائي = 0000 0000 0000 1000 // ‫ عدد البتات 3210 7654 1098 5432 int i = 0x8000; int count = 0; while ( !(i & 0x1) ) { 10 count ++; i = i >> 1; } printf("First non-zero (slow) is %d\n", count); 15 // توحَّد هذه القيمة عندما تُحمَّل long double d = 0x8000UL; long exp; // تعليمات "الحصول على أس العدد العشري" في معالج إتانيوم 20 asm ("getf.exp %0=%1" : "=r"(exp) : "f"(d)); // الأس متضمنًا الانزياح printf("The first non-zero (fast) is %d\n", exp - 65535); 25 } خلاصة الأفكار السابقة نستخرج مكونات العدد العشري ونطبع القيمة التي يمثلها في نموذج الشيفرة البرمجية التالية، إذ سنحرز نتيجةً فقط عندما تكون القيمة عددًا عشريًا بحجم 32 بِتّ بصيغة المعيار IEEE، وهذا شائع في معظم المعماريات من نوع float أي عدد عشري. 1 #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> 5 /* 2^n إرجاع */ int two_to_pos(int n) { if (n == 0) return 1; 10 return 2 * two_to_pos(n - 1); } double two_to_neg(int n) { 15 if (n == 0) return 1; return 1.0 / (two_to_pos(abs(n))); } 20 double two_to(int n) { if (n >= 0) return two_to_pos(n); if (n < 0) 25 return two_to_neg(n); return 0; } /* ‫مراجعة بعض أجزاء الذاكرة للمتغير "m" الذي هو الجزء المعنوي 30 للعدد العشري بحجم 24 بت، نبدأ بالمقلوب من البتات في أقصى اليمين دون أي سبب معين */ double calc_float(int m, int bit) { /* 23 بت؛ هذا ينهي العودية */ 35 if (bit > 23) return 0; /* إذا كان البت مضبوطًا، فهو يمثل القيمة 2/1^بت */ if ((m >> bit) & 1) 40 return 1.0L/two_to(23 - bit) + calc_float(m, bit + 1); /* وإلا انتقل إلى البت التالي */ return calc_float(m, bit + 1); } 45 int main(int argc, char *argv[]) { float f; int m,i,sign,exponent,significand; 50 if (argc != 2) { printf("usage: float 123.456\n"); exit(1); 55 } if (sscanf(argv[1], "%f", &f) != 1) { printf("invalid input\n"); 60 exit(1); } /* سنحتاج إلى خداع المصرف، كأننا بدأنا استخدام التحويلات ‫ فمثلًا (int)(f) ستجري تحويلًا فعليًا لنا 65 نريد الوصول إلى البتات الأولية، لذا ننسخها إلى متغير بنفس الحجم. */ memcpy(&m, &f, 4); /* بت الإشارة هو أول بت */ 70 sign = (m >> 31) & 0x1; /* الأس هو البتات الثمانية التي تلي بت الإشارة */ exponent = ((m >> 23) & 0xFF) - 127; 75 /* الجزء المعنوي يملأ المنازل العشرية، ويكون أول بت ضمنيًا 1 وبالتالي هو قيمة المعامل OR 24 بت. */ significand = (m & 0x7FFFFF) | 0x800000; /* اطبع قيمةً تمثل الأس */ 80 printf("%f = %d * (", f, sign ? -1 : 1); for(i = 23 ; i >= 0 ; i--) { if ((significand >> i) & 1) printf("%s1/2^%d", (i == 23) ? "" : " + ", 85 23-i); } printf(") * 2^%d\n", exponent); /* اطبع تمثيلًا كسريًا */ 90 printf("%f = %d * (", f, sign ? -1 : 1); for(i = 23 ; i >= 0 ; i--) { if ((significand >> i) & 1) printf("%s1/%d", (i == 23) ? "" : " + ", 95 (int)two_to(23-i)); } printf(") * 2^%d\n", exponent); /* حول هذا إلى قيمة عشرية واطبعه */ 100 printf("%f = %d * %.12g * %f\n", f, (sign ? -1 : 1), calc_float(significand, 0), two_to(exponent)); 105 /* اجرِ العملية الحسابية الآن */ printf("%f = %.12g\n", f, (sign ? -1 : 1) * 110 calc_float(significand, 0) * two_to(exponent) ); return 0; 115 } وفيما يلي نموذج خرج القيمة 8.45 الذي درسناه سابقًا: $ ./float 8.45 8.450000 = 1 * (1/2^0 + 1/2^5 + 1/2^6 + 1/2^7 + 1/2^10 + 1/2^11 + 1/2^14 + 1/2^15 + 1/2^18 + 1/2^19 + 1/2^22 + 1/2^23) * 2^3 8.450000 = 1 * (1/1 + 1/32 + 1/64 + 1/128 + 1/1024 + 1/2048 + 1/16384 + 1/32768 + 1/262144 + 1/524288 + 1/4194304 + 1/8388608) * 2^3 8.450000 = 1 * 1.05624997616 * 8.000000 8.450000 = 8.44999980927 نستخلص من هذا المثال فكرةً عن تسلل عدم الدقة إلى أعدادنا العشرية. ترجمة -وبتصرّف- لقسم من الفصل Chapter 2. Binary and Number Representation من كتاب Computer Science from the Bottom Up. اقرأ أيضًا المقال السابق: تعرف على نظام العد الثنائي Binary أساس الحوسبة المقال التالي: تعرف على وحدة المعالجة المركزية وعملياتها في معمارية الحاسوب المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب النسخة العربية لكتاب: أنظمة التشغيل للمبرمجين

النظام الثنائي هو نظام عددي يكون أساس العدد فيه 2، ويمثل المعلومات بحالتين متنافيتين لا ثالث لهما، ويتكون العدد الثنائي من عناصر تسمى بِتات bits بحيث يمكن أن يكون كل بت بإحدى الحالتين المحتمَلتَين، واللتين نمثلهما عمومًا بالرقمين 1 و 0. نظرية النظام الثنائي النظام الثنائي هو نظام يكون فيه الأساس هو العدد 2 ليمثل المعلومات بحالتين متنافيتين، ويتكون العدد الثنائي من عناصر تسمى بِتّات، إذ يمكن أن يكون كل بِتّ بإحدى الحالتين المحتمَلتين واللتين نمثِّلهما عمومًا بالرقمين 1 و 0، ويمكننا القول أنهما تمثِّلان القيمتَين الصحيحة والخاطئة؛ أما من الناحية الكهربائية، فقد تمثَّل الحالتين بجهد كهربائي مرتفع ومنخفض أو مثل زر التشغيل والإيقاف. نبني الأعداد الثنائية بالطريقة نفسها التي نبني بها الأعداد في نظامنا التقليدي العشري الذي يكون فيه الأساس هو العدد 10، لكن بدلاً من منزلة الآحاد ومنزلة العشرات ومنزلة المئات، …إلخ، لدينا منزلة الواحد ومنزلة الاثنين ومنزلة الأربعة ومنزلة الثمانية، …إلخ، أي كما هو موضح في الجدول التالي: table { width: 100%; } thead { vertical-align: middle; text-align: center; } td, th { border: 1px solid #dddddd; text-align: right; padding: 8px; text-align: inherit; } tr:nth-child(even) { background-color: #dddddd; } 20 21 22 23 24 25 26 ‎2...‎ 1 2 4 8 16 32 64 … لنمثِّل العدد 203 على سبيل المثال في الأساس العشري، إذ نعلم أننا نضع الرقم 3 في منزلة الآحاد، والرقم 0 في منزلة العشرات والرقم 2 في منزلة المئات، ويمثَّل هذا من خلال الأُسس exponents كما في الجدول التالي: 100 101 102 3 0 2 أو نمثلها بطريقة أخرى: 2x 102 + 3 x 100 = 200 + 3 = 203 لنمثِّل العدد نفسه بالنظام الثنائي، إذ سيكون لدينا الجدول التالي: 20 21 22 23 24 25 26 27 1 1 0 1 0 0 1 1 ويكافئ هذا: 27 + 26 + 23 + 21 + 20 = 128 + 64 + 8 + 2 + 1 = 203 دورة علوم الحاسوب دورة تدريبية متكاملة تضعك على بوابة الاحتراف في تعلم أساسيات البرمجة وعلوم الحاسوب اشترك الآن أسس الحوسبة قد تتساءل كيف لعدد بسيط أن يكون الأساس الذي بنيَت عليه كل الأمور المذهلة التي يستطيع الحاسوب تنفيذها، ورغم صعوبة تصديق ذلك إلا أنها الحقيقة، إذ يحتوي المعالج الموجود في حاسوبك على مجموعة معقدة -لكنها محدودة في النهاية- من التعليمات instructions التي يمكن تنفيذها على قيم مثل الجمع والضرب، …إلخ، إذ يُسنَد عدد إلى كل تعليمة من هذه التعليمات بصورة أساسية، حتى يمثَّل برنامج كامل بسلسلة من الأعداد فقط، أي أضف هذا إلى ذاك، اضرب بذاك، قسّم عليه، وهكذا، فإذا كان المعالج مثلًا يعلم أنّ العملية 2 هي الجمع، فإنّ العدد 252 قد يعني "اجمع 5 و 2 وخزِّن الناتج في مكان ما"، وتُعَدّ العمليات في الواقع أعقد بكثير طبعًا، إذ سنتناولها في فصل معمارية الحاسوب لاحقًا، لكن باختصار هذا هو الحاسوب. كان بمقدور المرء في عهد البطاقات المثقَّبة punch-cards أن يرى بعينه الواحدات والأصفار التي تكوِّن مسار البرنامج من خلال النظر إلى الثقوب الموجودة على البطاقة، طبعًا تحوّل ذلك اليوم إلى آلية التخزين السريع والدقيق بواسطة قطبية الجزيئات الممغنطة الصغيرة مثل الأشرطة tapes أو الأقراص disks، والذي أتاح لنا حمل كميات هائلة تفوق التصور من البيانات في جيوبنا. إنّ ترجمة هذه الأعداد إلى خدمات تنفع البشرية هي ما يجعل الحاسوب نافعًا لهذه الدرجة، وتتكوّن الشاشات مثلًا من ملايين البكسلات pixels المنفصلة، وكل منها صغير لدرجة لا تميّزه عين الإنسان، لكنها تكوِّن صورةً مكتملةً عندما تكون مجتمعةً، إذ يحتوي كل بكسل عمومًا على عناصر محدَّدة من الأحمر والأخضر والأزرق التي تكوِّن اللون الذي يعرضه، وبالتأكيد يمكن تمثيل هذه القيم بالأعداد التي بالطبع يمكن تمثيلها بالنظام الثنائي، وبالتالي يمكن تقسيم أيّ صورة إلى ملايين النقاط الفردية، وتُمثَّل كل نقطة بمجموعة من ثلاث قيم تمثِّل قيم الأحمر والأخضر والأزرق للبكسل، وبالتالي عندما يكون لدينا سلسلة طويلة من هذه الأعداد وتكون مُصاغةً بصورة صحيحة، فستتمكن أجهزة الفيديو في حاسوبك من تحويل هذه الأعداد إلى إشارات كهربائية لتشغيل وإيقاف البكسلات الفردية لعرض صورة. سنبني بيئة الحوسبة الحديثة بأكملها في الكتاب بدءًا من اللبنة الأساسية هذه، أي من القاعدة إلى القمة إذا صح التعبير. البتات bits والبايتات byts يمكننا بصورة أساسية تمثيل أيّ شيء بعدد كما تحدثنا في الفقرات السابقة، ويمكن تحويله إلى النظام الثنائي وإجراء عمليات عليه بواسطة الحاسوب، إذ سنحتاج على الأقل لتمثيل جميع أحرف الأبجدية مثلًا إلى توليفات مختلفة وكافية لتمثيل جميع المحارف الصغيرة lower case والمحارف الكبيرة upper case والأعداد وعلامات الترقيم إلى جانب بعض الأمور الإضافية، ويعني هذا أننا ربما سنحتاج إلى حوالي 80 توليفة مختلفة. إذا كان لدينا بِتّان، فيمكننا تمثيل 4 توليفات فريدة محتملة وهي 00 01 10 11؛ أما إذا كان لدينا ثلاث بِتّات، فيمكننا تمثيل 8 توليفات مختلفة، وبصورة عامة، إذا كان لدينا عدد n من البِتّات يمكننا تمثيل 2n توليفة فريدة. تمنحنا 8 بِتّات 28 = 256 تمثيلًا فريدًا، وهذا عدد أكثر من كاف للتوليفات الأبجدية التي نحتاجها، كما أننا ندعو كل 8 بِتّات ببايت، كما أنّ حجم المتغير من نوع char هو بايت واحد في لغة C. أسكي ASCII يستطيع أيّ شخص اختلاق رابط بين الأحرف والأعداد عشوائيًا بما أنّ البايت يمكنه تمثيل أيّ قيمة بين 0 و 255، فقد تقرِّر الشركة المصنعة لبطاقات الفيديو مثلًا أنّ رقم 1 يمثل المحرف 'A'، لذا عندما ترسَل القيمة 1 إلى بطاقة الفيديو، ستعرض المحرف 'A' بحالته الكبيرة على الشاشة، وقد تقرِّر الشركة المصنعة للطابعة لسبب ما أن الرقم 1 يمثل 'z' بالحالة الصغيرة، وبالتالي سيتطلب عرض وطباعة الشيء نفسه تحويلات معقدة، ولتجنب حدوث ذلك ابتُكِرت الشيفرة المعيارية الأميركية لتبادل المعلومات American Standard Code for Information Interchange -أو ASCII اختصارًا-، وهذه الشيفرة مبنية على 7 بتات 7-bit code، أي توجد 27 أو 128 شيفرةً متاحةً. ينقسم مجال الشيفرات إلى جزأين رئيسيين هما الشيفرات الغير قابلة للطباعة والشيفرات القابلة للطباعة، إذ تكون المحارف القابلة للطباعة مثل الأحرف الكبيرة والصغيرة والأعداد وعلامات الترقيم، في حين تكون المحارف الغير قابلة للطباعة مخصصةً للتحكم وتنفيذ عمليات مثل محارف الإرجاع carriage-return، أي العودة إلى بداية السطر الحالي دون النزول إلى السطر التالي، أو رن جرس الطرفية عند ورود المحرف Bell أو شيفرة القيمة الفارغة NULL الخاصة التي لا تمثل شيئًا على الإطلاق. تكفي المحارف 127 الفريدة للغة الإنجليزية الأميركية، لكنها تصبح محدودةً جدًا عندما يريد المرء تمثيل المحارف السائدة في اللغات الأخرى وخاصةً اللغات الآسيوية التي قد تحتوي على عدة آلاف من المحارف الفريدة، وللحد من ذلك، تنتقل الأنظمة الحديثة من شيفرة أسكي إلى يونيكود Unicode التي تستخدِم ما يصل إلى 4 بايتات لتمثل محرفًا، وهذا يفسح مجالًا أكبر بكثير. التكافؤ Parity يبقى بت واحد من البايت فائضًا بما أنّ شيفرة الأسكي مبنية على 7 بتات فقط، ويمكن الاستفادة منه في تحقيق التكافؤ parity، إذ يُعَدّ شكلًا بسيطًا من أشكال التحقق من الأخطاء، فتخيّل حاسوبًا يستخدِم بطاقات مثقبة في عملية الإدخال، بحيث يمثِّل وجود الثقب البِتّ 1 وغيابه يمثل البِتّ 0، وستؤدي أية تغطية غير مقصودة لثقب ما إلى قراءة قيمة غير صحيحة وستتسبب في سلوك غير معرَّف. يتيح التكافؤ إجراء فحص بسيط للبِتّات المؤلِّفة للبايت للتأكد من أنها قُرِئت بصورة صحيحة، ويمكننا تنفيذ التكافؤ الفردي أو الزوجي باستخدام البِتّ الفائض الذي نَعدّه بِتّ التكافؤ، فإذا كان عدد الواحدات في المعلومات المخزَّنة على البِتّات السبعة فرديًا، فسيضبط بت التكافؤ ويكون حينها التكافؤ فرديًا odd parity، وإذا كان عددها زوجيًا، فلا يضبط بِتّ التكافؤ؛ أما التكافؤ الزوجي Even parity، فهو عكس ذلك، فإذا كان عدد الواحدات زوجي، فسيُضبط بِتّ التكافؤ على الرقم 1، وبهذه الطريقة سينتج عن تغيّر بِتّ واحد خطأ تكافؤ يمكن اكتشافه. الحواسيب ذات أنظمة 16 و 32 و 64 بت لا تتسع جميع الأعداد في بايت أو مجموعة محددة من البايتات، فبفرض أن كان رصيدك المصرفي كبيرًا مثلًا فهو يحتاج إلى مجال أوسع مما يمكن أن يتسع في بايت واحد لتمثيله، وتتألف المعماريات الحديثة في الحواسيب حاليًا من أنظمة 32 بت على الأقل، وهذا يعني أنها تعمل مع 4 بايتات في وقت واحد عند المعالجة والقراءة أو الكتابة على الذاكرة، ونشير آنذاك إلى كل 4 بايتات بالكلمة word، وهذا مشابه للغة حيث تكوِّن الأحرف -أو البتات- الكلمات في جملة ما، والفارق في الحاسوب عن اللغة أنه تكون كل الكلمات بالحجم نفسه، وهو حجم المتغير من نوع int في اللغة C الذي يساوي 32 بِتّ، أما معماريات 64 بت الحديثة، يضاعف حجم عمل المعالج إلى 8 بايت بدلًا من 4 في معماريات 32 بت. كيلوبايت وميغابايت وغيغابايت تتعامل الحواسيب مع عدد كبير من البايتات وهذا ما يجعلها شديدة القوة، وبالتالي نحتاج إلى وسيلة للتحدث عن أعداد ضخمة من البايتات، والوسيلة البديهية لذلك هي استخدام بادئات نظام الوحدات الدولي International System of Units -أو SI اختصارًا- كما هو متّبع في معظم المجالات العلمية الأخرى، إذ يشير الكيلو مثلًا إلى 103 أو 1000 وحدة، بحيث يكون الكيلوغرام الواحد هو 1000 غرام. يُعَدّ 1000 عددًا تقريبيًا round جيدًا في الأساس العشري، لكنه يمثَّل في النظام الثنائي بـ 1111101000 وهو ليس عددًا تقريبيًا، لكن 1024 أو 210 هو عدد تقريبي والذي يمثَّل في النظام الثنائي بـ 10000000000، وهو قريب جدًا من الكيلو في النظام العشري، أي العدد 1000 قريب من العدد 1024، وبالتالي أصبح 1024 بايت بطبيعة الحال يُعرَف بالكيلوبايت؛ أما الوحدة التالية في نظام الوحدات الدولي، فهي ميغا mega المقابلة لقيمة 106، كما تستمر البادئات بالازدياد بمقدار 103 المقابلة للتجميع المعتاد المكون من ثلاثة أرقام عند كتابة أعداد كبيرة، كما يصادف مجددًا أن تكون 220 قريبةً من تحديد نظام الواحدات الدولي للميغا في النظام العشري، أي 1048576 بدلًا من 1000000، فعند زيادة واحدات النظام الثنائي بالقوى من مضاعفات 10 تبقى قريبةً وظيفيًا من قيمة النظام العشري في نظام الواحدات الدولي، مع أنه يحيد قليلًا كل عامل متزايد عن دلالة أساس نظام الواحدات الدولي، وبالتالي فإنّ وحدات النظام العشري في نظام الواحدات الدولي قريبة بما يكفي على قيم النظام الثنائي، وقد شاع استخدامها لتلك القيم. الاسم معامل النظام الثنائي بايت معامل النظام العشري القريب بايت في النظام العشري 1 كيلوبايت 210 1024 103 1000 1 ميغابايت 220 1.048.576 106 1.000.000 1 غيغابايت 230 1.073.741.824 109 1.000.000.000 1 تيرابايت 240 1.099.511.627.776 1012 1.000.000.000.000 1 بيتابايت 250 1.125.899.906.842.624 1015 1.000.000.000.000.000 1 إكسابايت 260 1.152.921.504.606.846.976 1018 1.000.000.000.000.000.000 قد يفيدك ترسيخ معامِلات النظام الثنائي في ذاكرتك كثيرًا في الربط السريع للعلاقة بين عدد البِتّات والأحجام التي يفهمها الإنسان، إذ يمكننا بسرعة مثلًا حساب إمكانية حاسوب بنظام 32 بِتّ أن يعالج ما يصل إلى 4 غيغابايت من الذاكرة من خلال ملاحظة إعادة التركيب (4) 22 + 230، وبالمثل يمكن أن تعالِج قيمة 64 بِتّ ما يصل إلى 16 إكسابايت، أي 260 + 24، كما يمكنك حساب ضخامة هذا العدد، ولتأخذ فكرةً عن مدى ضخامته، فيمكنك حساب المدة التي ستستغرقها في العد إلى 264 إذا عددت رقمًا واحدًا كل ثانية. كيلوبت وميغابت وغيغابت سيشار إلى السعات غالبًا بالبِتّات بدلًا من البايتات إلى جانب الارتباك الذي يحدث نتيجة العبء المفرط لتحويل واحدات نظام الواحدات الدولي SI بين النظامَين الثنائي والعشري، ويحدث هذا عمومًا عند التحدث في مجال الشبكات أو أجهزة التخزين، فربما لاحظت أنّ اتصال ADSL لديك يشار إليه بقيمة مثل 1500 كيلوبِت في الثانية، إن العملية الحسابية بسيطة، إذ نضرب بالعدد 1000 للكيلو ثم نقسِّم على 8 لنحوِّله إلى بايت ثم نقسِّمه على العدد 1024 لنحوله إلى كيلوبايت، وبالتالي تكون 1500 كيلوبِت في ثانية = 183 كيلوبايت في الثانية. أقرَّت هيئة نظام الواحدات الدولي هذه الاستخدامات المزدوجة وحددت بادئات فريدةً للاستخدام الثنائي، إذ تقابل 1024 بايت بموجب المعيار كيبي بايت kibibyte، وهو اختصار للكيلوبايت الثنائي kilo binary byte وتُختصر بـ KiB؛ أما البادئات الأخرى، فلها بادئة مماثلة مثل ميبي بايتس MiB، ويمنع العرف المتَّبع إلى حد كبير استخدام هذه المصطلحات، لكنك قد تراها في بعض المؤلَّفات. التحويل يُعّدّ استخدام الحاسوب الطريقة الأسهل للتحويل بين الأنظمة، فبعد كل شيء هذا ما يبرع فيه. ومع ذلك، فمن المفيد معرفة كيفية إجراء التحويلات يدويًا. تُعَدّ القسمة المتكررة الطريقة الأسهل للتحويل بين الأنظمة، بحيث نقسِّم ناتج القسمة بصورة متكررة على الأساس إلى أن يصبح ناتج القسمة صفرًا مع تدوين الباقي في كل خطوة، ثم ندوِّن الباقي بالعكس، أي نبدأ من الأسفل ونلحق العدد بالجهة اليمين في كل مرة، وسنذكر مثالًا للتوضيح، كما سيكون الأساس 2 نظرًا لأننا نحوِّل إلى النظام الثنائي. عملية القسمة النتيجة الباقي اتجاه قراءة الباقي 2 ÷ 20310 101 1 2 ÷ 10110 50 1 ↑ 2 ÷ 5010 25 0 ↑ 2 ÷ 2510 12 1 ↑ 2 ÷ 1210 6 0 ↑ 2 ÷ 610 3 0 ↑ 2 ÷ 310 1 1 ↑ 2 ÷ 110 0 1 ↑ ابدأ بقراءة الباقي من الأسفل وأضف كل عدد منه إلى اليمين لتحصل على النتيجة 11001011، وقد وجدنا فعلًا أنّ هذه القيمة في النظام الثنائي هي 203 في النظام العشري. العمليات البوليانية Boolean Operations اكتشف جورج بول عالم الرياضيات مجالًا كاملًا في الرياضيات يسمى جبر بُول Boolean Algebra، وعلى الرغم من أنّ اكتشافاته كانت في منتصف القرن التاسع عشر، إلا أنها أصبحت لاحقًا أساسيات علوم الحاسوب، ويُعَدّ جبر بول هو موضوع واسع النطاق، لذا سنتناول في هذا الكتاب بعض مبادئه الأساسية فقط حتى تستطيع بدء رحلة التعلم. تأخذ العمليات البوليانية ببساطة دخلًا معينًا وتنتج خرجًا معينًا حسب قاعدة معينة، وأبسط عملية بوليانية مثلًا هي not، وهي تعكس قيمة معامِل operand الدخل؛ أما المعامِلات الأخرى، فتأخذ عادةً دخلين وتنتج خرجًا واحدًا. يسهل تذكر العمليات البوليانية الأساسية المستخدَمة في علوم الحاسوب وقد أدرجناها في هذا الفصل، ومثلناها بجداول الحقيقة truth tables التي تبيِّن بمظهر بسيط جميع المدخلات والمخرجات المحتمَلة، ويقابل مصطلح حقيقي true القيمة 1 في النظام الثنائي. معامل Not تمثَّل عادةً بالرمز !، وهي تعكس قيمة الدخل فتحول 0 إلى 1 و 1 إلى 0. الدخل الخرج 1 0 0 1 معامل And تذكَّر العبارة التالية: "تكون النتيجة حقيقيةً إذا كان الدخل الأول حقيقيًا و الدخل الثاني حقيقيًا" لكي يسهل عليك تذكُّر آلية عمل معامل and. الدخل الأول الدخل الثاني الخرج 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 معامل Or تذكَّر العبارة التالية: "تكون النتيجة حقيقيةً إذا كان الدخل الأول حقيقيًا أو الدخل الثاني حقيقيًا" لكي يسهل عليك تذكُّر آلية عمل معامل or . الدخل الأول الدخل الثاني الخرج 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 معامل أو الحصرية Exclusive Or تختصَر عبارة معامل أو الحصرية Exclusive Or بـ xor وهي حالة خاصة من معامِل or، بحيث يكون الخرج حقيقيًا عندما يكون أحد المدخَلين فقط حقيقيًا، وستدهشك الحيل المميزة التي يستطيع هذا المعامِل تنفيذها، لكنها ليست مستخدَمةً كثيرًا في النواة. الدخل الأول الدخل الثاني الخرج 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 استخدام العمليات البوليانية في الحواسيب قد يصعب عليك تصديق أنّ أساس كل ما ينفِّذه حاسوبك هو تلك المعامِلات التي تحدثنا عنها، فالجامع النصفي half adder مثلًا هو أحد أنواع الدارات التي تتكون من العمليات البوليانية التي تجمع البِتّات، وقد سُمّي الجامع النصفي لأنه لا يعالج البتات الفائضة، وستبدأ في بناء كيان يجمع أعداد ثنائية طويلة من خلال وضع أكثر من جامع نصفي معًا، ثم أضف إليه بعض الذواكر الخارجية وستكون قد بنيت حاسوبًا. تنفَّذ العمليات البوليانية من الناحية الإلكترونية في بوابات gates مصنوعة من الترانزستورات transistors، لذا لا بد أنك سمعت عن عدد الترانزستورات transistor counts وقانون مور وغيرها، وكلما زاد عدد الترانزستورات زاد عدد البوابات وزاد عدد الأشياء التي يمكنك جمعها، كما ستحتاج لبناء الحاسوب الحديث إلى عدد هائل من البوابات وعدد هائل من الترانزستورات، إذ تحتوي بعض معالِجات إيتانيوم Itanium الحديثة على حوالي 460 مليون ترانزستور. العمل بالنظام الثنائي في اللغة C توجد واجهة مباشرة لجميع المعامِلات التي ذكرناها في اللغة C، ويشرح الجدول التالي هذه المعامِلات: المعامل اصطلاحه في اللغة C not ! and & or \ xor ^ نطبّق هذه المعامِلات على المتغيرات لتعديل البِتّات ضمن المتغير، ولكن يجب علينا أولًا أن نتناول شرحًا للترميز الست العشري قبل أن نستعرض أمثلةً عن ذلك. النظام الست عشري Hexadecimal يشير النظام الست عشري إلى نظام أساسه العدد 16، والسبب الوحيد لاستخدامنا هذا النظام في علوم الحاسوب هو أنه يسهِّل على الإنسان التفكير في الأرقام الثنائية، إذ يسهِّل عدم تعامل الحواسيب إلا مع النظامَين الثنائي والست عشري على الإنسان محاولته التعامل مع الحاسوب. لكن لماذا اختير الأساس 16؟ إن الخيار الطبيعي هو الأساس 10 لأننا معتادون على التفكير في الأساس 10 حسب نظامنا العددي اليومي، لكن الأساس 10 لا يتوافق كثيرًا مع النظام الثنائي؛ إذ نحتاج إلى أربع بتات لتمثيل 10 عناصر مختلفة في النظام الثنائي، لكن تلك الأربع بتات توفر لنا ست عشرة توليفة محتمَلة، لذا نحن أمام احتمالين؛ إما أن نختار الطريقة شديدة التعقيد المتمثلة في محاولة التحويل بين النظام العشري والثنائي، أو أن نختار الطريقة السهلة وننشئ نظامًا عدديًا أساسه العدد 16 وهو النظام الست عشري. يستخدِم النظام الست عشري الأعداد القياسية في النظام العشري مع إضافة الأحرف A B C D E F التي تشير إلى الأعداد 10 11 12 13 14 15، مع الانتباه إلى بدء العدّ من الصفر، فمتى ما رأيت عددًا مسبوقًا بـ 0x، فاعلم أنه يدل على عدد ست عشري، وكما ذكرنا أنه سنحتاج إلى أربع بتات بالضبط لتمثيل 16 نمط مختلف في النظام الثنائي، لذا يمثِّل كل عدد ست عشري أربع بتات بالضبط، ويجب أن تعدّه تمرينًا لتتعلم الجدول التالي عن ظهر قلب. النظام الست عشري النظام الثنائي النظام العشري 0 0000 0 1 0001 1 2 0010 2 3 0011 3 4 0100 4 5 0101 5 6 0110 6 7 0111 7 8 1000 8 9 1001 9 A 1010 10 B 1011 11 C 1100 12 D 1101 13 E 1110 14 F 1111 15 بالطبع لا يوجد سبب للتوقف عن متابعة النمط (مثل تحديد G للقيمة 16)، ولكن القيم الستة عشرة هي موازنة ممتازة بين تقلبات الذاكرة البشرية وعدد البتات التي يستخدمها الحاسوب، كما ستجد أيضًا الأساس 8 مستخدَمًا أحيانًا في سماحيات الملفات في أنظمة يونكس مثلًا، ونمثِّل ببساطة أعدادًا أكبر من البتات بأعداد أكثر، إذ يمكن مثلًا تمثيل متغير يتألف من ستة عشر بت بالقيمة 0xAB12، وما عليك سوى تحويل كل رقم على حدى وفقًا للجدول السابق ثم جمع القيم معًا لتجد مقابلها في النظام الثنائي، أي لتكون القيمة المقابلة للقيمة 0xAB12 هي العدد الذي يتألف من 16 بت في النظام الثنائي 1010101100010010، كما نستطيع التحويل من النظام الثنائي إلى النظام الست عشري بعكس تلك العملية، كما نستطيع الاستعانة بنهج القسمة المتكررة ذاته لتغيير أساس أي عدد، فلإيجاد قيمة العدد 203 بالنظام الست عشري مثلًا: عملية القسمة النتيجة الباقي اتجاه قراءة الباقي 16 ÷ 20310 12 11 (0xB) 16 ÷ 1210 0 12 (0xC) ↑ لذا تكون قيمة 203 في النظام الست عشري هي 0xCB الاستخدام العملي للأنظمة العددية سنطلع فيما يلي على الاستخدام العملي للأنظمة العددية وما النتائج العملية التي ممكن أن نحصل عليها. استخدام النظام الثنائي في الشيفرات البرمجية تُعَدّ برمجة حاسوب بلغات عالية المستوى high level دون معرفة أيّ شيء عنه هو أمر عملي بحت على الرغم من أنّ النظام الثنائي هو اللغة الأساسية لكل حاسوب، وعلى أية حال نهتم ببعض مبادئ النظام الثنائي الأساسية والمستخدَمة بصورة متكررة بالنسبة شيفرة البرمجية منخفضة المستوى low level code التي سنتناولها. التقنع والرايات سنشرح مفهوم عمليتي التقنع والرايات وكيفية تطبيقهما عمليًا على الأنظمة العددية. التقنع Masking من المهم غالبًا جعل البنى والمتغيرات تحجز مساحةً بأكثر طريقة فعالة ممكنة في الشيفرة البرمجية منخفضة المستوى، وقد يتضمن هذا في بعض الحالات تعبئة packing متغيرين -يكونان مرتبطين ببعضهما عمومًا- بمتغير واحد بطريقة فعالة. تذكَّر أنّ كل بِتّ يمثل حالتين، فإذا علمنا مثلًا أنّ للمتغير 16 حالة محتمَلة فقط، فيمكن تمثيله بـ 4 بِتّات، أي 24 = 16 قيمةً فريدةً، لكن أصغر نوع يمكننا التصريح عنه في اللغة C هو 8 بتات وهو نوع char أي محرف، فإما نهدر أربع بتات، أو نجد طريقةً نستخدِم فيها تلك البتات الفائضة، ويمكننا تحقيق ذلك بسهولة من خلال عملية التقنُّع التي تتبع قواعد العمليات المنطقية لاستخراج القيم وهي موضَّحة في الصورة التالية. نحتفظ بقيمتَين منفصلتين تتألفان من 4 بِتّات داخل محرف واحد يتألف من 8 بِتّات، إذ نُعِدّ البِتّات الأربعة الأولى (الزرقاء) قيمةً واحدةً والبِتَات الأربعة الأخيرة (الحمراء) قيمةً أخرى، وقد ضبطنا القناع على تعيين قيمة البتات الأربعة الأخيرة 1 (0x0F) لاستخراج البِتّات الأربعة السفلية، وبما أنّ المعامِل and المنطقي سيضبط البت إلى 1 فقط إذا كانت قيمة كلا البتّين 1، فستخفي البِتّات التي ضبطنا قيمتها على 0 في القناع وهي البتات التي لا تهمنا بصورة فعالة. (التقنُّع) نقلب القناع للحصول على البِتّات الأربعة الأولى (الزرقاء)، أي نضبط البِتّات الأربعة الأولى على القيمة 1 والبتات الأربعة الأخيرة على القيمة 0، وستلاحظ أنّ نتيجة هذا ستكون 0000 1010 أو 0xA0 في النظام الست عشري، على حين أننا نريد فعلًا أن نعتبر هذه القيمة الفريدة المؤلفة من 4 بتات 1010 أي 0x0A، ولوَضع هذه البتات في الموضع الصحيح نستخدِم المعامِل right shift أربع مرات، والذي سيمنحنا القيمة النهائية 1010 0000. 1 #include <stdio.h> #define LOWER_MASK 0x0F #define UPPER_MASK 0xF0 5 int main(int argc, char* argv[]) { /* قيمتان بحجم 4 بتات مخزنتان في متغير بحجم 8 بتات */ 10 char value = 0xA5; char lower = value & LOWER_MASK; char upper = (value & UPPER_MASK) >> 4; printf("Lower: %x\n", lower); 15 printf("Upper: %x\n", upper); } يتطلب ضبط البِتّات المعامِل or المنطقي، لكن سنستخدم الأصفار 0 بدلًا من استخدام الواحدات 1 على أساس قناع، كما ننصحك برسم مخطط مشابه للصورة السابقة والعمل على ضبط البِتّات بواسطة المعامِل or المنطقي. الرايات flags يتضمن البرنامج غالبًا عددًا كبيرًا من المتغيرات التي توجد فقط بصيغة رايات flags في شروط معينة، فآلة الحالات state machine مثلًا هي خوارزمية تتنقل عبر عدد من الحالات المختلفة، لكنها لا تتواجد إلا في حالة واحدة فقط في المرة الواحدة، ولنقل أنه لديها 8 حالات مختلفة، إذ نستطيع بسهولة التصريح عن 8 متغيرات مختلفة، بحيث يكون هناك متغير واحد لكل حالة، لكن في كثير من الحالات يفضَّل التصريح عن متغير واحد مؤلف من 8 بتات وتعيين راية لكل بِتّ للإشارة إلى حالة معينة. تُعَدّ الرايات حالةً خاصةً من التقنُّع، لكن يمثِّل كل بِتّ حالةً بوليانيةً معينةً، أي تشغيل أو إيقاف، كما يمكن لمتغير مؤلَّف من عدد n من البتات أن يحمل العدد n من الرايات المختلفة، ويُعَدّ نموذج الشيفرة البرمجية التالي هو مثال نموذجي على استخدام الرايات، وستلحظ اختلافات في هذه الشيفرة البرمجية الأساسية في معظم الأحيان. 1 #include <stdio.h> /* * تعريف كافة الرايات الثمانية المحتمَلة لمتغير بحجم 8 بتات 5 * الاسم النظام الست عشري النظام الثنائي */ #define FLAG1 0x01 /* 00000001 */ #define FLAG2 0x02 /* 00000010 */ #define FLAG3 0x04 /* 00000100 */ 10 #define FLAG4 0x08 /* 00001000 */ /* ... وهكذا */ #define FLAG8 0x80 /* 10000000 */ int main(int argc, char *argv[]) 15 { char flags = 0; /* متغير بحجم 8 بتات */ ‫ /* ضبط الرايات بمعامل ‎ orالمنطقي */ flags = flags | FLAG1; /* ضبط الراية الأولى */ 20 flags = flags | FLAG3; /* ضبط الراية الثالثة /* ‫تحقق من الرايات بالمعامل and المنطقي. إذا كانت الراية مضبوطة بالقيمة 1 * ‫سيرجع المعامل and قيمة 1 * if مما سيحقق الشرط الوارد في */ 25 if (flags & FLAG1) printf("FLAG1 set!\n"); /* سيكون هذا بالطبع غير صحيح */ if (flags & FLAG8) 30 printf("FLAG8 set!\n"); /* ‫تحقق من عدة رايات بواسطة or المنطقي * سيمرر هذا لأن الراية الأولى مضبوطة */ if (flags & (FLAG1|FLAG4)) 35 printf("FLAG1 or FLAG4 set!\n"); return 0; } ترجمة -وبتصرف- للقسم Binary — the basis of computing من الفصل Chapter 2. Binary and Number Representation من كتاب Computer Science from the Bottom Up. اقرأ أيضًا المقال السابق: مفهوم واصفات الملفات File Descriptors وارتباطها بعملية التجريد في أنظمة التشغيل المقال التالي: تمثيل الأنواع والأعداد في الأنظمة الحاسوبية أساسيات نظام العد الثنائي في الشبكات

إحدى أولى المفاهيم التي يتعلمها مبرمج أنظمة يونكس هي أنّ عمل كل برنامج يبدأ بثلاث ملفات تكون مفتوحةً مسبقًا: table { width: 100%; } thead { vertical-align: middle; text-align: center; } td, th { border: 1px solid #dddddd; text-align: right; padding: 8px; text-align: inherit; } tr:nth-child(even) { background-color: #dddddd; } الاسم الوصفي الاسم المختصر رقم الملف الشرح مجرى الدخل القياسي stdin 0 الدخل من لوحة المفاتيح مجرى الخرج القياسي stdout 1 الخرج الظاهر على الطرفية مجرى الخطأ القياسي stderr 2 خرج رسائل الخطأ على الطرفية (ملفات يونيكس الافتراضية) يستحضر هذا إلى أذهاننا السؤال عمّا يمثله الملف المفتوح وكيفية فتحه، إذ تسمى القيمة التي يعيدها استدعاء open لفتح الملف اصطلاحًا بواصف الملف file descriptor، وهي أساسًا فهرس لمصفوفة من الملفات المفتوحة المخزَّنة في النواة. (فائدة واصفات الملفات في عملية التجريد) تُعَدّ واصفات الملفات فهرسًا لجدول واصفات الملفات تخزنه النواة، بحيث تنشئ النواة واصف ملف استجابةً لاستدعاء open وتربطه ببعض التجريد لكائن يشبه الملف سواءً كان جهازًا فعليًا أو نظام ملفات أو شيء بعيد عن هذا كل البعد، وبالتالي توجه النواة استدعاءات عمليات القراءة read والكتابة write التي تشير إلى واصف الملف ذاك إلى الموضع الصحيح لتنفذ مهمة مفيدة في النهاية. تعرض الصورة نظرةً عامةً على تجريد العتاد، وباختصار يُعَدّ واصف الملف البوابة إلى تجريدات النواة للعتاد والأجهزة الأساسية. لنبدأ من المستوى الأدنى، إذ يتطلب نظام التشغيل وجود مبرمج ينشئ تعريفًا للجهاز device driver أو برنامج تعريف حتى يتمكن من التواصل مع أحد أجهزة العتاد، ويُكتَب تعريف الجهاز هذا إلى واجهة API التي توفرها النواة بالطريقة نفسها والتي وردت في مثال المقال السابق، إذ سيوفر تعريف الجهاز مجموعة دوال تستدعيها النواة استجابةً للمتطلبات المختلفة، ويمكننا في المثال المبسَّط في الصورة السابقة رؤية أن تعريف الجهاز يوفِّر دالة القراءة read والكتابة write اللتين ستُستدعيان استجابةً للعمليات المماثلة التي تنفذ على واصف الملف، كما يعلم تعريف الجهاز كيف يحوِّل هذه الطلبات العامة إلى طلبات أو أوامر محددة لجهاز محدد. تقدم النواة واجهة-ملف file-interface لتوفير التجريد لمساحة المستخدِم عبر ما يسمى بطبقة الجهاز device layer عمومًا، إذ تمثَّل الأجهزة المادية على المضيف بملف له نظام ملفات خاص مثل dev‎/، ففي أنظمة يونكس وما يشابهها تحتوي عقد الجهاز device-nodes على ما اصطلح تسميته بالعدد الرئيسي major number والعدد الثانوي minor number، مما يتيح للنواة ربط عقد محددة بما يقابلها ببرنامج التعريف الموفر، كما يمكنك الاطلاع عليها من خلال الأمر ls كما هو موضح في المثال التالي: $ ls -l /dev/null /dev/zero /dev/tty crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Aug 26 13:12 /dev/null crw-rw-rw- 1 root root 5, 0 Sep 2 15:06 /dev/tty crw-rw-rw- 1 root root 1, 5 Aug 26 13:12 /dev/zero ينقلنا هذا إلى واصف الملف، وهو الأداة التي تستخدِمها مساحة المستخدِم للتواصل مع الجهاز الأساسي، وبصورة عامة ما يحدث عند فتح الملف هو أنّ النواة تستخدِم معلومات المسار لربط map واصف الملف بشيء يوفِّر واجهتّي API قراءة وكتابة وغيرهما مناسبة، فعندما تكون عملية فتح الملف open للجهاز مثل ‎/dev/sr0‎ في مثالنا السابق، فسيوفر العدد الرئيسي والثانوي لعقدة الجهاز المفتوح المعلومات التي تحتاجها النواة للعثور على تعريف الجهاز الصحيح وإتمام عملية الربط mapping، كما ستعلم النواة بعد ذلك كيف توجه الاستدعاءات اللاحقة مثل القراءة read إلى الدوال الأساسية التي يوفرها تعريف الجهاز. يعمل الملف غير المرتبط بجهاز non-device file بآلية مشابهة، على الرغم من وجود طبقات أكثر خلال العملية، فالتجريد هنا هو نقطة الوصل أو الربط mount point، وكما تملك عملية توصيل نظام الملفات file system mounting غايةً مزدوجةً تتمثل في إعداد عملية الربط mapping، بحيث يتعرف نظام الملفات على الجهاز الأساسي الذي يوفِّر التخزين وتعلم النواة أنّ الملفات المفتوحة في نقطة التوصيل تلك يجب أن توجَّه إلى تعريف نظام الملفات، كما تُكتَب أنظمة الملفات على واجهة API محددة لنظام الملفات العام التي توفرها النواة على غرار تعريفات الأجهزة. بالطبع الصورة الكاملة معقدة أكثر في الواقع، إذ تضم عدة طبقات أخرى، فتبذل النواة على سبيل المثال جهدًا كبيرًا لتخزين cache أكبر قدر ممكن من البيانات الواردة من الأقراص في الذاكرة الخالية، ويقدِّم هذا العديد من الميزات التي تحسِّن السرعة، كما تحاول النواة تنظيم الوصول إلى الجهاز بأكثر طريقة فعالة وممكنة مثل محاولة طلب الوصول إلى القرص للتأكد من أن البيانات المخزَّنة فيزيائيًا بالقرب من بعضها ستستعاد معًا حتى لو لم ترد الطلبات بترتيب تسلسلي، بالإضافة إلى انتماء العديد من الأجهزة إلى فئة أعم مثل أجهزة USB أو SCSI التي توفِّر طبقات التجريد الخاصة بها للكتابة عليها، وبالتالي ستمر أنظمة الملفات في هذه الطبقات المتعددة بدلًا من الكتابة مباشرةً على الأجهزة، أي يكون فهم النواة هو فهم كيفية ترابط واجهات API المتعددة تلك وتواجدها مع بعضها. الصدفة Shell تُعَدّ الصدفة بوابة التفاعل مع نظام التشغيل سواءً كانت باش bash أو zsh أو csh أو أيّ نوع من أنواع الأصداف الأخرى العديدة، إذ تشترك جميعها أساسًا في مهمة رئيسية واحدة فقط، وهي أنها تتيح لك تنفيذ البرامج، كما ستبدأ بفهم آلية تنفيذ الصدفة لهذه المهمة فعليًا عندما سنتحدث لاحقًا عن بعض العناصر الداخلية لنظام التشغيل. لكن الأصداف قادرة على تنفيذ مهام أكبر بكثير من مجرد إتاحة تنفيذ برنامج، إذ تتميز بقدرات قوية لإعادة توجيه الملفات، وتتيح لك تنفيذ عدة برامج في الوقت نفسه وكتابة نصوص برمجية تبني برامج متكاملة، وهذا كله يعيدنا إلى مقولة كل شيء هو عبارة عن ملف. إعادة التوجيه Redirection لا نريد في معظم الأحيان أن تشير واصفات الملفات القياسية التي تحدثنا عنها في بداية المقال إلى مواضع محددة افتراضيًا، فقد ترغب مثلًا في تسجيل كامل خرج البرنامج على ملف تحدده على القرص أو في جعله يتلقى أوامره من ملف أعددته مسبقًا، وقد ترغب في تمرير خرج برنامج ليكون دخل برنامج آخر، إذ تيسّر الصدفة ذلك وأكثر بالعمل مع نظام التشغيل. الاسم الأمر الوصف مثال إعادة التوجيه إلى ملف filename < أخذ كامل الخرج الناتج عن Standard Out وتسجيله في الملف filename (استبدل filename باسم الملف). ملاحظة: استخدم << لتُلحق الخرج بنهاية محتوى الملف بدلًا من استبدال محتواه ls > filename القراءة من ملف filename > نسخ كافة البيانات من الملف إلى دخل البرنامج القياسي standard input echo < filename التمرير Pipe program1 | program2 أخذ كامل خرج standard out البرنامج الأول program1 وتمريره إلى دخل standard input البرنامج الثاني program2 ls | more تنفيذ عملية التمرير pipe يُعَدّ تنفيذ الأمر ls | more مثالًا آخرَ على قدرة التجريد، فما يحدث هنا بصورة أساسية هو أنه بدلًا من ربط واصف الملف لمجرى الخرج القياسي بإحدى الأجهزة الأساسية مثل الطرفية لعرض الخرج عليها، يوجَّه الواصف إلى مخزن مؤقت buffer في الذاكرة توفِّره النواة ويطلق عليه عادةً الأنبوب pipe، والمميز هنا هو إمكانية عملية أخرى أن تربط دخلها القياسي standard input بالجانب الآخر من المخزن المؤقت ذاته buffer وتستحوذ على خرج العملية الأخرى بفعالية كما هو موضَّح في الصورة التالية: (الأنبوب) الأنبوب هو مخزن مؤقت في الذاكرة يربط عمليتين معًا، وتشير واصفات الملف إلى كائن الأنبوب الذي يخزن البيانات المرسلة إليه من خلال عملية الكتابة ليصرِّفها من خلال عملية القراءة. تخزِّن النواة عمليات الكتابة في الأنبوب حتى تصرّف عملية قراءة مقابلة من الجانب الآخر للمخزن المؤقت، وهذا مفهوم قوي جدًا وهو أحد الأشكال الأساسية للتواصل بين العمليات inter-process communication -أو IPC اختصارًا- في أنظمة يونكس وما يشابهها، كما لا تقتصر عملية التمرير على نقل البيانات، إذ يمكن أن تؤدي دور قناة إشارات signaling channel، فإذا قرأت إحدى العمليات أنبوبًا فارغًا، فستعطله أو تجمده block افتراضيًا أو تضعه في حالة سبات hibernation إلى حين توفر بعض البيانات، وسنتعمق في هذا أكثر في مقال لاحق من هذه السلسلة، وبالتالي قد تستخدِم عمليتان أنبوبًا للإبلاغ عن اتخاذ إجراء ما عن طريق كتابة بايت واحد من البيانات، فبدلًا من أن تكون البيانات الفعلية مهمةً، فإن مجرد وجود أية بيانات في الأنبوب يمكن أن تشير إلى رسالة، فلنفترض مثلًا أنّ إحدى العمليات تطلب طباعة عملية أخرى لملف وهو أمر سيستغرق بعض الوقت، لذا قد تُعِدّ العمليتان أنبوبًا بينهما بحيث تقرأ العملية التي أرسلت الطلب الأنبوب الفارغ، وبما أنه فارغ، فسيعطّل هذا الاستدعاء وتبطِل العملية، لكن بمجرد الانتهاء من الطباعة، ستكتب العملية الأخرى رسالةً في الأنبوب ويؤدي ذلك إلى إيقاظ العملية التي أرسلت الطلب بصورة فعالة وإرسال إشارة تدل على انتهاء العمل. ينبثق عن السماح للعمليات بتمرير البيانات بين بعضها بهذه الطريقة مصطلح شائع آخر في يونكس للأدوات الصغيرة التي تنفذ أمرًا معينًا، ويضفي تسلسل هذه الأدوات الصغيرة مرونةً لا تستطيع أداة موحَّدة إضفاءها في معظم الأحيان. ترجمة -وبتصرُّف- لقسم من الفصل Chapter 1. General Unix and Advanced C من كتاب Computer Science from the Bottom Up. اقرأ أيضًا المقال التالي: تعرف على نظام العد الثنائي Binary أساس الحوسبة المقال السابق: مفهوم التجريد abstraction في أنظمة التشغيل وأهميته للمبرمجين التجريد (Abstraction) والواجهات (Interfaces) والسمات (Traits) في PHP النسخة العربية الكاملة لكتاب: أنظمة التشغيل للمبرمجين

مفهوم الملف هو تجريد abstraction مناسب إما كحوض للبيانات أو مصدر لها، وبالتالي هو تجريد ممتاز لجميع الأجهزة التي قد يوصلها المرء بالحاسوب. هذا الإدراك هو سر القوة العظيمة لنظام التشغيل يونيكس ويتجلى في مجمَل تصميم كامل المنصة. ويُعَدّ توفير تجريد الأجهزة هذا للمبرمج من الأدوار الرئيسية لنظام التشغيل. كل شيء عبارة عن ملف تُعَدّ مقولة كل شيء عبارة عن ملف مبدأً يُستمَد غالبًا من أنظمة يونكس Unix وما يشابهها مثل لينكس linux وبي إس دي BSD. لنتخيل ملفًا في إطار مألوف مثل معالج النصوص، إذ تكون العمليتان الأساسيتان اللتان نستطيع تنفيذهما على ملف في معالج النصوص التخيلي هذا كما يلي: قراءته، أي قراءة معالج النصوص البيانات الحالية المحفوظة. الكتابة ضمنه، أي كتابة المستخدِم بيانات جديدةً. لنستعرض بعض الطرفيات الشائعة الموصولة بالحاسوب، وما هو ارتباطها بالعمليات الأساسية على الملفات: الشاشة. لوحة المفاتيح. الطابعة. القرص المدمَج CD-ROM. تشبه كل من الشاشة والطابعة ملفًا للكتابة فقط، إذ تُعرَض المعلومات نقاطًا على الشاشة أو خطوطًا على الصفحة بدلًا من تخزينه على هيئة بِتّات على القرص؛ أما لوحة المفاتيح، فتُعَدّ مثل ملف للقراءة فقط، إذ ترد البيانات من ضغطات المستخدِم على المفاتيح، وكذلك الأمر بالنسبة للقرص المضغوط CD-ROM مثلًا، لكن تخزَّن البيانات مباشرةً على القرص بدلًا من أن يدخلها المستخدِم عشوائيًا. وبالتالي فإن مفهوم الملف هو تجريد abstraction مناسب إما لحوض البيانات أو مصدرها، لذا فهو تجريد ممتاز لجميع الأجهزة التي قد يوصلها المرء بالحاسوب، ويُعَدّ هذا الإدراك هو سر القوة العظيمة لنظام التشغيل يونيكس ويتجلى في مجمَل تصميم كامل المنصة، كما يُعَدّ توفير تجريد الأجهزة هذا للمبرمج من الأدوار الرئيسية لنظام التشغيل. ربما لا نبالغ عندما نقول أنّ التجريد هو المفهوم الأساسي الذي يدعم جميع أشكال الحوسبة الحديثة، إذ لا يمكن لشخص واحد فهم كل الأمور من تصميم واجهة مستخدِم حديثةً إلى العمليات الداخلية لوحدة المعالجة المركزية CPU الحديثة، ناهيك عن بنائها بكاملها بأنفسهم؛ أما بالنسبة للمبرمجين، فالتجريد هو اللغة المشتركة التي تتيح لنا التعاون والابتكار. يمنحنا تعلّم التنقل بين التجريدات رؤيةً أعمق لطريقة استخدام التجريدات بأفضل الأساليب وأكثرها ابتكارًا، وسندرس في هذه السلسلة التجريدات في الطبقات الدنيا وبين التطبيقات ونظام التشغيل وبين نظام التشغيل والعتاد الصلب، كما توجد العديد من الطبقات الأعلى منها وكل منها تستحق التفرُّد بسلسلة خاصة بها، ونأمل منك اكتساب بعض الرؤى عن التجريدات التي يقدِّمها نظام التشغيل الحديث مع دراسة كل مقال من مقالات هذه السلسلة. (صورة توضح مفهوم التجريد) تطبيق التجريد يُطبَّق التجريد عمومًا بما يسمى واجهة برمجة التطبيق API، ويُعَدّ API مصطلحًا مبهمًا نوعًا ما، إذ يشير إلى أمور مختلفة حسب سياقات الأعمال البرمجية المتنوعة،يصمم المبرمج في الأساس مجموعة دوال functions، ويُوثِّق واجهتها ووظيفتها حسب مبدأ أن التنفيذ الفعلي الذي يزوده بواجهة API يكون مخفيًا. تقدِّم العديد من تطبيقات الويب على سبيل المثال واجهة API يمكن الوصول إليها عن طريق بروتوكول HTTP، ويطلق الوصول إلى البيانات بهذه الطريقة عدة سلاسل معقدة من استدعاءات الإجراءات البعيدة remote procedure calls واستعلامات قاعدة البيانات database queries وعمليات نقل البيانات data transfers، وتكون جميعها غير مرئية بالنسبة للمستخدِم النهائي الذي يتلقى البيانات المقتضبة ببساطة. سيألف الذين هم على دراية باللغات البرمجية كائنية التوجه object-oriented مثل جافا Java أو بايثون Python أو ++C مفهوم التجريد في الأصناف classes، إذ تزِّود التوابع methods الصنف بالواجهة لكنها تجرِّد التنفيذ. تطبيق التجريد بلغة البرمجة C تُعَدّ مؤشرات الدالة function pointers منهجيةً شائعةً تُستخدَم في نواة نظام تشغيل لينكس وغيرها من الشيفرات البرمجية الأساسية المكتوبة بلغة C والتي لا يكون مفهوم كائنية التوجه مدمجًا فيها، كما يُعَدّ فهم هذا المصطلح أمرًا رئيسيًا لقراءة معظم الشيفرات البرمجية الأساسية المكتوبة بلغة C، إذ يمكّنك فهم طريقة قراءة التجريدات الموجودة ضمن الشيفرة البرمجية من تكوين فكرة عن تصاميم واجهات API الداخلية. #include <stdio.h> /* الواجهة البرمجية التي سننفذها */ struct greet_api { int (*say_hello)(char *name); int (*say_goodbye)(void); }; ‫/* تطبيق دالة hello */ int say_hello_fn(char *name) { printf("Hello %s\n", name); return 0; } ‫/* تطبيق دالة goodbye */ int say_goodbye_fn(void) { printf("Goodbye\n"); return 0; } /* بنية لتنفيذ الواجهة البرمجية*/ struct greet_api greet_api = { .say_hello = say_hello_fn, .say_goodbye = say_goodbye_fn }; ‫/* لا تحتاج الدالة main()‎ معرفة أيّ شيء عن آلية عمل ‫* say_hello/goodbye، فهي لا تعلم إلا أنها تعمل*/ int main(int argc, char *argv[]) { greet_api.say_hello(argv[1]); greet_api.say_goodbye(); printf("%p, %p, %p\n", greet_api.say_hello, say_hello_fn, &say_hello_fn); exit(0); } تُعَدّ هذه الشيفرة البرمجية بأنها أبسط نموذج عن البنى التي يتكرر استخدامها في جميع أجزاء نواة لينكس والبرامج الأخرى المبنية على اللغة C، ولنلقِ نظرةً على بعض العناصر المحددة. نبدأ بالبنية التي تحدِّد الواجهة البرمجية struct greet_api، فالدوال التي أحيطت أسمائها بأقواس مع محدد المؤشر pointer marker تصف مؤشر الدالة، إذ يصف مؤشر الدالة النموذج الأولي للدالة التي يجب أن يشير إليها، كما سيؤدي توجيهه إلى دالة دون إضافة النوع المُعاد return type الصحيح أو المعاملات الصحيحة على الأقل إلى توليد تحذير من المصرِّف، وإذا تركته في الشيفرة البرمجية، فيحتمل أن يؤدي إلى تنفيذ عملية خاطئة أو أعطال، لذلك إذ ستجد غالبًا أنّ أسماء المعامِلات parameters قد حُذفت ولم يُحدَّد إلا نوع المعامِل، ويتيح هذا للمنفذ تحديد أسماء المعامِلات لتجنب ورود تحذيرات من المصرِّف. سنتناول الآن تنفيذ الواجهة البرمجية، إذ ستجد عادةً في الدوال الأعقد مصطلحًا يدل على أنّ دوال تنفيذ الواجهة البرمجية هي عبارة عن غلاف حول الدوال الأخرى التي تكون عادةً مسبوقةً بشرطة سفلية أو اثنتين، إذ ستستدعي الدالة ()say_hello_fn دالةً أخرى ()say_hello_function_ على سبيل المثال، ولهذه عدة استخدامات، إذ نستخدمها عمومًا لنحظى بأجزاء أبسط وأصغر من الواجهة API -في تنظيم الوسائط arguments أو التحقق منها مثلًا- منفصلةً عن عملية التنفيذ الأعقد، ويسهّل هذا غالبًا المسار إلى تحقيق تغييرات ملموسة في العمليات الداخلية مع ضمان بقاء الواجهة ثابتة، إلا أنّ عملية التنفيذ هنا بسيطة جدًا ولا تحتاج حتى إلى دوال داعمة خاصة بها، كما يختلف مدلول بادئات الدالة التي تكون شرطة سفلية واحدة _ أو مزدوجة __ أو حتى ثلاثية ___ باختلاف المشاريع، لكنها عمومًا تُعَدّ تحذيرًا مرئيًا بأنه لا يُفترَض استدعاء الدالة مباشرةً من خارج الواجهة. ملاحظة: قد يُشار إلى دالة الشرطة السفلية المزدوجة ‎__‎foo‎ في المحادثات بالتابع السحري dunder foo وتكون فو foo مثل س أو ص في الجبر. نملأ مؤشرات الدالة في المرحلة ما قبل الأخيرة في struct greet_api greet_api، إذ يُعَدّ اسم الدالة مؤشرًا، لذا لا حاجة لأخذ عنوان الدالة مثل say_hello_fn&، وأخيرًا يمكننا استدعاء دوال واجهة API ضمن بنية main. ستلاحظ هذا المصطلح باستمرار عند تصفحك الشيفرة المصدرية source code،ـ ويمكن أن نوضح ذلك في هذا المثال البسيط الذي اجتزأناه من الملف include/linux/virtio.h في الشيفرة المصدرية لنواة نظام لينكس: /** * virtio_driver - operations for a virtio I/O driver * @driver: underlying device driver (populate name and owner). * @id_table: the ids serviced by this driver. * @feature_table: an array of feature numbers supported by this driver. * @feature_table_size: number of entries in the feature table array. * @probe: the function to call when a device is found. Returns 0 or -errno. * @remove: the function to call when a device is removed. * @config_changed: optional function to call when the device configuration * changes; may be called in interrupt context. */ struct virtio_driver { struct device_driver driver; const struct virtio_device_id *id_table; const unsigned int *feature_table; unsigned int feature_table_size; int (*probe)(struct virtio_device *dev); void (*scan)(struct virtio_device *dev); void (*remove)(struct virtio_device *dev); void (*config_changed)(struct virtio_device *dev); #ifdef CONFIG_PM int (*freeze)(struct virtio_device *dev); int (*restore)(struct virtio_device *dev); #endif }; كل المطلوب هو أن نفهم فهمًا سطحيًا أنّ هذه البنية هي وصف لجهاز الإدخال والإخراج I/O الافتراضي، ونلاحظ أن المتوقَّع من مستخدِم واجهة API هذه -أي كاتب تعريف الجهاز device driver- هو تقديم عدد من الدوال التي ستُستدعَى في شروط مختلفة أثناء تشغيل النظام، أي عند تقصّي عتاد جديد hardware أو عند إزالة عتاد ما، …إلخ على سبيل المثال، كما يحتوي على مجموعة بيانات، وهي البُنى التي يجب تعبئتها بالبيانات المرتبطة بها، كما يُعَدّ البدء بعناصر توصيف مثل هذه أسهل طريقة لبدء فهم الطبقات المختلفة لشيفرة النواة البرمجية. المكتبات تؤدي المكتبات دورَين يوضحان التجريد، هما: تتيح للمبرمجين إعادة استخدام الشيفرة البرمجية المتاح الوصول إليها عمومًا. تؤدي دور الصندوق الأسود في تنفيذ الخصائص الوظيفية عن المبرمج. تختص المكتبة التي تنفذ الوصول إلى البيانات غير المعالَجة في الملفات على سبيل المثال بلاحقة JPEG بميزة تتيح للعديد من البرامج التي ترغب في الوصول إلى ملفات الصور استخدام المكتبة نفسها، كما لا يضطر المبرمجون الذين يبرمجون هذه البرامج إلى الانشغال بالتفاصيل الدقيقة لصيغة الملف JPEG، وإنما يركزون جهودهم على دور الصورة أو موضعها في البرنامج. يشار إلى المكتبة القياسية في منصة يونكس باسم libc عمومًا، ومهمتها توفير الواجهة الأساسية للنظام، والاستدعاءات الأساسية مثل ()read و ()write و ()printf، كما توصَف واجهة API هذه بمجملها بتوصيف يسمى بوزيكس POSIX، وهي متاحة مجانًا على الإنترنت وتصف العديد من الاستدعاءات التي تؤلف واجهة API القياسية في نظام يونكس. تتبع معظم منصات يونكس عمومًا معايير بوزيكس، مع وجود بعض الفروقات الطفيفة التي تكون مهمةً أحيانًا (وهذا ما يفسر تعقيد أنظمة بناء غنو Gnu autotools المختلفة، التي تحاول دومًا إخفاء هذه الفروقات عنك). يحتوي نظام لينوكس على العديد من الواجهات التي لا تتبع معايير بوزيكس، لذا فإن بناء تطبيقات تستخدم هذه الواجهات دون غيرها لن يجعل تطبيقك محمولًا portable بما يكفي. تُعّدّ المكتبات تجريدًا أساسيًا يضم الكثير من التفاصيل، وسنتناول في فصول لاحقة آلية عمل المكتبات بالتفصيل. ترجمة -وبتصرّف- للقسم Everything is a file!‎ والقسم Implementing abstraction من الفصل Chapter 1. General Unix and Advanced C من كتاب Computer Science from the Bottom Up. اقرأ أيضًا المقال التالي: مفهوم واصفات الملفات File Descriptors وارتباطها بعملية التجريد في أنظمة التشغيل التجريد (Abstraction) والواجهات (Interfaces) والسمات (Traits) في PHP نمط التصميم معمل التجريد Abstract Factory النسخة العربية الكاملة لكتاب: أنظمة التشغيل للمبرمجين