brk

まず brk システムコールを試す。brk は program break の意味らしい。program break とはプログラムの data セクションの最後のことで、brk システムコールはこの data セクションの最後の位置を変更するというシステムコールになっている。これにより、プロセスにメモリを割りあてたり、OS に返したりできる。いわゆるヒープ領域というやつ。

brk: .word _end

.macro sys_brk
    mov r7, $0x2d
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

sbrk: /* uint size -> void* */
        push {lr}
        ldr r3, =brk /* r3 = prev_brk */
        ldr r1, [r3]

        cmp r1, $0x00 /* if prev_brk == 0 */
        bleq sbrk_init

        add r0, r0, r1
        sys_brk
        cmp r0, r1
        blt sbrk_nomem /* curr_brk == prev_brk */
        str r0, [r3] /* update heap_start */
        mov r0, r1
        pop {pc}
sbrk_init:
        push {r0}
        mov r0, $0x00
        sys_brk
        mov r1, r0
        pop {r0}
        mov pc, lr
sbrk_nomem:
        mov r0, $0x00
        pop {pc}

.section .data
brk: .word 0

mmap システムコール

プロセスに動的にメモリを割り当てる方法としては mmap を使う方法もある。mmap の匿名マッピングは単に指定したサイズの連続した領域を確保する。ある程度大きいメモリを確保する場合はこちらのほうが管理が楽みたい。glibc の malloc は 128KB 以上一気に確保しようとすると mmap を使うらしい。

mmap のデメリットはページサイズ単位でしか割当られないことで、1KB だけ欲しい場合でも4KB 程度は割当される。以下の例では 8byte だけリクエストしているが 4096バイトまでは書きこめ、4097バイト目に書こうとすると Segmentation fault になる。

mmap の返り値もエラーの場合は負の数が返るのだけれど、最上位ビットが立っていても有効なメモリアドレスという場合もあるので、単に負かどうかでは判定できない。なんかよくわからないけど、-4096よりも大きい場合だけエラーとして扱いのがセオリーっぽい？

PROT_NONE = 0x00
PROT_READ = 0x01
PROT_WRITE = 0x02
PROT_EXEC = 0x04
MAP_ANONYMOUS = 0x20
MAP_PRIVATE = 0x02
.macro sys_mmap
    mov r7, $0xc0 /* sys_mmap_pgoff */
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

.macro sys_munmap
    mov r7, $0x5b
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

main:
        /* mmap */
        mov r0, #0 /* start */
        mov r1, #8 /* length */
        mov r2, #PROT_READ /* prot */
        orr r2, r2, #PROT_WRITE
        mov r3, #MAP_ANONYMOUS
        orr r3, r3, #MAP_PRIVATE /* flags */
        mov r4, #-1 /* fd */
        mov r5, #0 /* page offset */
        sys_mmap
        cmn r0, #4096 /* if (r0 > -4096) */
        rsbhs r0, r0, #0
        blhs error
        mov v1, r0

        /* write 4096 bytes (SEGV on 4097) */
        mov r2, r0                  
        ldr r3, =4096

1:
        mov r0, $0x2e
        strb r0, [r2], $0x01

        sub r3, r3, #1
        cmp r3, #0
        bne 1b

        mov r0, $0x01
        mov r1, v1
        mov r2, #4096
        sys_write

        mov r0, v1 /* start */
        mov r1, #8 /* length */
        sys_munmap

        mov r0, $0x00 /* set exit status to 0 */
        sys_exit

error:
        cmp r0, $0x00
        moveq r0, $0x01
        sys_exit

brk か mmap か

malloc はどっちも使っているようだけど、いまいち brk を使うメリットがわからない。

• 小さいデータの場合 brk で段階的に伸ばしてシステムコール呼ぶ回数を減らすほうがよい?
  • mmap である程度メモリ確保しちゃえばいいんじゃ
• メモリ再割当のコストが減らせる?
  • 足りなくなったら mremap したらだめ? mremap は Linux 限定
• mmap が返すアドレスは毎回適当なので、管理コストが増える?
  • brk なら全部必ず連続するのが便利?

よくわからなかった。

glibc 以外の malloc 実装を軽く調べた感じだと、OpenBSD は mmap しか使わず、jemalloc もオプションで指定しない限り mmap だけを使うようだった。

getdents

open/close はともかく、getdents の挙動を理解するのに苦労した。

以上のような構造体を渡したバッファに書きこんでくれるのだけれど、なんで構造体の後ろのほうコメントアウトになってるの？って感じ。よく定義を読んだら d_name[] は文字列へのポインタではなく文字列そのものなので、ここは可変長になっていて、コメントアウトされている分は d_reclen から実際の位置を計算する必要があることがわかる。また、このシステムコールはバッファが許す限りこのエントリを連続で書いてくるので、d_reclen をポインタに足しながら全部読み出す必要がある。

挙動さえ理解できれば難しくないので、とりあえず C レベルで1回書いたほうが早かったかもしれない。

ソートとかしていないので、表示される順番は ls -1f したときと同じになる。

errno

libc レベルだと errno というグローバル変数にエラー番号が入るが、システムコールを直で呼ぶ場合、r0 にエラー番号の符号を反転させた値が返ってくる。

つまり、libc はシステムコールから負の値が返ってくると、符号を反転して errno にセットして、C レベルの関数では -1 を返すという挙動をするみたい。

コード全文

/*#!as --gstabs+ -o ls.o ls.s && ld -o ls -e _start ls.o && objdump -d -j .text -j .data ls && ./ls
 */

.global _start
.macro sys_exit
    mov r7, $0x01 /* set system call number to 1 (exit) */
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

O_RDONLY = 0x0000
.macro sys_open
    mov r7, $0x05
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

.macro sys_write
    mov r7, $0x04
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

.macro sys_close
    mov r7, $0x06
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

.macro sys_getdents
    mov r7, $0x8d
    svc $0x00     /* supervisor call  */
.endm

.section .text
_start:
        bl main

        /* not reached */
        mov r0, $0xff
        sys_exit

main:
        /* open */
        ldr r0, =current_dir
        mov r1, #O_RDONLY
        sys_open
        cmp r0, $0x00
        rsble r0, r0, #0
        blle error
        mov v1, r0

1:
        /* getdents */
        mov r0, v1
        ldr r1, =dentry_buffer
        mov r2, #dentry_buffer_len
        sys_getdents
        cmp r0, $0x00
        beq 2f
        mov v2, r0 /* read bytes */
        rsblt r0, r0, #0
        bllt error


        ldr v3, =dentry_buffer
3:
        ldrh v5, [v3, #8] /* linux_dirent d_reclen */

        mov r0, $0x01
        add r1, v3, #10
        sub r2, v5, #12
        sys_write
        mov r0, $0x0a

        push {r0}
        mov r0, $0x01
        mov r1, sp
        mov r2, #1
        sys_write
        pop {r0}

        sub v2, v2, v5 /* len -= d_reclen */
        add v3, v3, v5 /* buffer += d_reclen */
        cmp v2, $0x00
        bne 3b

        b 1b

2:
        /* close */
        mov r0, v1
        sys_close

        mov r0, $0x00 /* set exit status to 0 */
        sys_exit

current_dir:
    .asciz "."
    .align 2

error:
        cmp r0, $0x00
        moveq r0, $0x01
        sys_exit

.section .bss
    .align 2

buffer: .skip 4096
dentry_buffer:
    .skip 4096
    dentry_buffer_len = . - dentry_buffer