3.2 Загрузчики

3.2.1 Функции загрузчика

Большинство объектных модулей в современных системах программирования строятся на основе так называемых относительных адресов. Компилятор, порождающий объектные файлы, а затем и компоновщик, объединяющий их в единое целое, не могут знать точно, в какой реальной области памяти компьютера будет располагаться программа в момент ее выполнения. Поэтому они работают не с реальными адресами ячеек ОЗУ, а с некоторыми относительными адресами. Такие адреса отсчитываются от некоторой условной точки, принятой за начало области памяти, занимаемой результирующей программой (обычно это точка начала первого модуля программы, метка начала кода «Start» или «WinMain»).

Конечно, ни одна программа не может быть исполнена в этих относительных адресах. Поэтому требуется модуль, который бы выполнял преобразование относительных адресов в реальные (абсолютные) адреса непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Этот процесс называется трансляцией адресов и выполняет его специальный модуль, называемый загрузчиком.

Однако загрузчик не всегда является составной частью системы программирования, поскольку выполняемые им функции очень зависят от архитектуры целевой вычислительной системы, в которой выполняется результирующая программа, созданная системой программирования. На первых этапах развития ОС загрузчики существовали в виде отдельных модулей, которые выполняли трансляцию адресов и готовили программу к выполнению - создавали так называемый «образ задачи». Такая схема была характерна для многих ОС. Образ задачи можно было сохранить на внешнем носителе или же создавать его вновь всякий раз при подготовке программы к выполнению.

С развитием архитектуры вычислительных средств компьютера появилась возможность выполнять трансляцию адресов непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Для этого потребовалось в состав исполняемого файла включить соответствующую таблицу, содержащую перечень ссылок на адреса, которые необходимо подвергнуть трансляции. В момент запуска исполняемого файла ОС обрабатывала эту таблицу и преобразовывала относительные адреса в абсолютные. Такая схема, например, характерна для ОС типа MS-DOS, которые широко распространены в среде персональных компьютеров. В этой схеме модуль загрузчика как таковой отсутствует (фактически он входит в состав ОС), а система программирования ответственна только за подготовку таблицы трансляции адресов - эту функцию выполняет компоновщик.

В современных ОС существуют сложные методы преобразования адресов, которые работают непосредственно уже во время выполнения программы. Эти методы основаны на возможностях, аппаратно заложенных в архитектуру вычислительных комплексов. Методы трансляции адресов могут быть основаны на сегментной, страничной и сегментно-страничной организации памяти. Тогда для выполнения трансляции адресов в момент запуска программы должны быть подготовлены соответствующие системные таблицы. Эти функции целиком ложатся на модули ОС, поэтому они не выполняются в системах программирования.

3.2.1 Настраивающий и динамический загрузчики

Компилятор (порождающий объектные файлы) и компоновщик (объединяющий объектные файлы в единое целое) не могут знать, в каких адресах физической памяти будет располагаться программа в момент ее выполнения. Поэтому они работают не с реальными адресами ячеек ОЗУ, а с относительными адресами, отсчитываемыми относительно некоей условной точки (например, начала сегмента данных или первого модуля программы). Таким образом, объектные модули строятся на основе относительных адресов. Поскольку для выборки команды или данных из памяти микропроцессор использует физический адрес ячейки памяти, программу, использующую относительные адреса, он выполнить не сможет. Поэтому, необходим модуль, который бы преобразовывал относительные адреса, используемые в программе в реальные адреса, непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Этот процесс называется трансляцией адресов и выполняет его специальный модуль - загрузчик. Когда-то, давным-давно загрузчики существовали в виде отдельных модулей, которые выполняли трансляцию адресов и готовили программу к выполнению создавая загрузочный образ задачи. В настоящее время, загрузчик стал одним из модулей операционной системы и выполняет трансляцию адресов непосредственно в момент запуска программы. Такой загрузчик называется настраивающим загрузчиком. Для того, чтобы загрузчик мог выполнить трансляцию адресов, компоновщик должен подготовить для настраивающего загрузчика таблицу трансляции адресов, которая входит в состав исполняемого файла. Каждая операционная система содержит в себе свой настраивающий загрузчик и предусматривает свой формат таблицы трансляции адресов.

С развитием оверлейных (подгружаемых) структур и динамических библиотек появилась необходимость в специальном загрузчике, который бы обеспечивал работоспособность приложения, использующего подобного рода ресурсы. В задачи динамического загрузчика входит: слежение за обращениями к динамическим библиотекам и модулям, загрузка в оперативную память необходимых библиотек, освобождение памяти от неиспользуемых библиотек, поиск необходимой функции внутри динамической библиотеки и предоставление пользовательскому приложению доступа к ней. Как и формат исполняемых файлов, формат динамических библиотек зависит от операционной системы.