ローダー（コンピューティング）

コンピュータ システムでは、ローダーはオペレーティング システムの一部であり、プログラムとライブラリのロードを担当します。ローダーはプログラムをメモリに配置し、実行できるように準備するため、プログラムを起動するプロセスで重要な段階の 1 つです。プログラムのロードには、メモリ マッピング、またはプログラム命令を含む実行可能ファイルの内容をメモリにコピーすること、および実行可能ファイルを実行できるように準備するために必要なその他の準備タスクの実行が含まれます。ロードが完了すると、オペレーティング システムはロードされたプログラム コードに制御を渡してプログラムを起動します。

プログラムの読み込みをサポートするすべてのオペレーティング システムには、特定のプログラム セットのみを持つ高度に特殊化されたコンピュータ システムは別として、ローダーがあります。組み込みシステムには一般にローダーがなく、コードは ROM などから直接実行されます。ブートの一部としてオペレーティング システム自体を読み込むには、専用のブート ローダーが使用されます。多くのオペレーティング システムでは、ローダーはメモリ内に永続的に存在しますが、仮想メモリをサポートする一部のオペレーティング システムでは、ページング可能なメモリ領域にローダーを配置できる場合があります。

仮想メモリをサポートするオペレーティング システムの場合、ローダーは実行可能ファイルの内容を実際にメモリにコピーするのではなく、実行中のプログラムのコードを格納するために割り当てられたメモリ領域と、関連付けられた実行可能ファイルの内容の間にマッピングがあることを仮想メモリ サブシステムに宣言するだけです (「メモリ マップ ファイル」を参照)。次に、仮想メモリ サブシステムは、プログラムの実行によって実際にメモリの空き領域に到達した場合、そのメモリ領域のページをオンデマンドで埋める必要があることを認識します。これは、プログラムのコードの一部が実際に使用されるまでメモリにコピーされず、使用されていないコードがメモリにまったくロードされない可能性があることを意味します。

Unixでは、ローダーはシステムコールのハンドラーです。^[1] Unixローダーのタスクには以下が含まれます。 execve()

1. 検証（権限、メモリ要件など）
2. 実行可能オブジェクトをディスクからメインメモリにメモリマッピングする。
3. コマンドライン引数を仮想メモリにコピーする。
4. レジスタ（例：スタックポインタ）の初期化。
5. プログラムのエントリポイント（_start）にジャンプします。

Microsoft Windows 7 以降では、ローダーはntdll.dllLdrInitializeThunkに含まれる関数であり、次の処理を実行します。

1. DLL 自体の構造体の初期化 (つまり、クリティカル セクション、モジュール リスト)。
2. ロードする実行可能ファイルの検証。
3. ヒープの作成（関数経由RtlCreateHeap）
4. 環境変数ブロックとPATHブロックの割り当て。
5. 実行可能ファイルと NTDLL をモジュール リスト (二重リンク リスト) に追加します。
6. たとえば、いくつかの重要な機能を取得するためにKERNEL32.DLLをロードしますBaseThreadInitThunk。
7. 実行可能ファイルのインポート（つまり、ダイナミックリンクライブラリ）を再帰的にロードする（インポートのインポート、それらのインポートなどをチェックする）。
8. デバッグモードでは、システムブレークポイントが発生します。
9. DLL の初期化。
10. ガベージコレクション;
11. NtContinueローダー関数に与えられたコンテキストパラメータを呼び出す（つまりRtlUserThreadStart、実行可能ファイルを起動する にジャンプする）

一部のオペレーティング システムでは、ロードを開始するアドレスの変動を補正するために実行可能ファイル内のアドレス (ポインター) を調整する再配置ローダーが必要です。再配置ローダーが必要なオペレーティング システムとは、プログラムが (仮想) アドレス空間内の同じ場所にロードされるとは限らず、ポインターがプログラムのベース アドレスからのオフセットではなく絶対アドレスであるオペレーティングシステムです。よく知られている例としては、IBM のSystem/360メインフレーム用のOS/360や、z/Architectureメインフレーム用のz/OSなどのその後継製品があります。

OS/360およびその派生システムでは、（特権）オペレーティングシステム機能はIEWFETCH ^[2]と呼ばれ、OSスーパーバイザの内部コンポーネントです。一方、（非特権）LOADERアプリケーションは、同じ機能の多くに加えてリンケージエディタの機能も実行でき、OSスーパーバイザの外部に完全に存在します（ただし、多くのスーパーバイザサービスを使用することは確かです）。

IEWFETCH は高度に特殊化されたチャネル プログラムを利用し、理論的には DASD メディアの 1 回転以内に実行可能ファイル全体をロードして再配置することが可能です (「レガシー」3,600 rpm ドライブでは最大約 16.6 ミリ秒、平均 8.3 ミリ秒)。サイズがトラックを超えるロード モジュールの場合、メディアの 1 回転を失うことなくモジュール全体をロードして再配置することも可能です。

IEWFETCH には、いわゆるオーバーレイ構造の機能も組み込まれており、潜在的に非常に大きな実行可能ファイルを最小限のメモリ モデル (OS の一部のバージョンでは 44 KB 程度ですが、88 KB や 128 KB の方が一般的です) で実行することが容易になります。

OS の核(スーパーバイザの常時常駐部分) 自体は、IEWFETCH の簡易バージョンと互換性のある形式でフォーマットされています。通常の実行可能ファイルとは異なり、OS の核は「分散ロード」されます。つまり、核の各部分はメモリの異なる部分にロードされます。特に、特定のシステム テーブルは最初の 64 KB より下に存在する必要がありますが、他のテーブルやコードは他の場所に存在する場合があります。

システムのリンケージ エディターアプリケーションは IEWL と呼ばれます。^[3] IEWL の主な機能は、ロード モジュール (実行可能プログラム) とオブジェクト モジュール (アセンブラやコンパイラなどからの出力) を関連付けることです。これには、ライブラリ (高級言語の「組み込み関数」) への「自動呼び出し」も含まれ、IEWFETCH によって最も効率的にロードできる形式になります。編集オプションは多数ありますが、従来のアプリケーションでは、これらのうちのいくつかだけが一般的に使用されます。

ロード モジュール形式には、最初の「テキスト レコード」が含まれ、その直後にそのテキスト レコードの「再配置レコードおよび/または制御レコード」が続き、その後にモジュールの最後までテキスト レコードと再配置レコードおよび/または制御レコードのペアのインスタンスがさらに続きます。

テキスト レコードは通常非常に大きいですが、再配置レコードや制御レコードは、IEWFETCH の 3 つの再配置レコードや制御レコード バッファーが 260 バイトに固定されているため小さくなります (より小さい再配置レコードや制御レコードも可能ですが、260 バイトが最大サイズであり、IEWL は、必要に応じて次のテキスト レコードの前に追加の再配置レコードを挿入することで、この制限に準拠していることを確認します。この特殊なケースでは、レコードの順序は次のようになります: ...、テキスト レコード、再配置レコード、...、制御レコード、テキスト レコード、...)。

再配置および/または制御レコード バッファ内の特別なバイトは、「無効ビット スピン」通信領域として使用され、一意の値に初期化されます。その再配置および/または制御レコードの読み取り CCW には、プログラム制御割り込みビットが設定されています。そのため、プロセッサは、特別なIOS出口を介してチャネルによってその CCW がアクセスされたことを通知されます。この時点で、プロセッサは「無効ビット スピン」ループ (「世界最短のループ」と呼ばれることもあります) に入ります。そのバイトが初期化された値から変更されると、CPU はビット スピンを終了し、再配置および/または制御レコードと次のテキスト レコードの間のメディア内の「ギャップ」の間に再配置が行われます。次のレコードの前に再配置が終了すると、読み取りに続く NOP CCW は TIC に変更され、次のバッファを使用してロードと再配置が続行されます。そうでない場合、チャネルは NOP CCW で停止し、別の特別な IOS 出口を介して IEWFETCH によって再開されるまで停止します。 3 つのバッファは連続した循環キューにあり、それぞれが次のバッファを指し、最後のバッファが最初のバッファを指しています。また、ロードと再配置が進むにつれて、3 つのバッファが常に再利用されます。

これにより、IEWFETCH は、任意の実用的なサイズのロード モジュールを最短時間でロードおよび再配置できます。

ダイナミック リンク ローダーは、共有ライブラリ( .so ファイル、.dll ファイル、.dylib ファイルなど)をロードして、既にロードされている実行中のプログラムにリンクする別のタイプのローダーです。

このような共有ライブラリは複数のプロセスで共有でき、共有コードのコピーが 1 つだけ各プロセスのアドレス空間の異なる (仮想) アドレスに表示される可能性があるので、共有ライブラリのコードは再配置可能である必要があります。つまり、ライブラリは全体を通して自己相対またはコード セグメント ベース相対の内部アドレスのみを使用する必要があります。一部のプロセッサには、これを容易にするために自己相対コード参照を使用できる命令があります。