Изучение внутреннего устройства Windows

Модель операционной системы

В большинстве многопользовательских ОС приложения отделены от собственно ОС: код ее ядра выполняется в привилегированном режиме CPU (называемом режимом ядра), который обеспечивает доступ к системным данным и оборудованию. Код приложений выполняется в непривилегированном режиме CPU (называемом пользовательским) с неполным набором интерфейсов, ограниченным доступом к системным данным и без прямого доступа к оборудованию. Когда программа пользовательского режима вызывает системный сервис, CPU перехватывает вызов и переключает вызывающий поток в режим ядра. По окончании работы системного сервиса ОС переключает контекст потока обратно в пользовательский режим и продолжает его выполнение.

Windows, как и большинство UNIX-систем, является монолитной ОС — в том смысле, что большая часть ее кода и драйверов использует одно и то же пространство защищенной памяти режима ядра. Это значит, что любой компонент ОС или драйвер устройства потенциально способен повредить данные, используемые другими компонентами ОС.

Основана ли Windows на микроядре?

Хотя некоторые объявляют ее таковой, Windows не является ОС на основе микроядра в классическом понимании этого термина. В подобных системах основные компоненты ОС (диспетчеры памяти, процессов, ввода-вывода) выполняются как отдельные процессы в собственных адресных пространствах и представляют собой надстройки над примитивными сервисами микроядра. Пример современной системы с архитектурой на основе микроядра — ОС Mach, разработанная в Carnegie Mellon University. Она реализует крошечное ядро, которое включает сервисы планирования потоков, передачи сообщений, виртуальной памяти и драйверов устройств. Все остальное, в том числе разнообразные API, файловые системы и поддержка сетей, работает в пользовательском режиме. Однако в коммерческих реализациях на основе микроядра Mach код файловой системы, поддержки сетей и управления памятью выполняется в режиме ядра. Причина проста: системы, построенные строго по принципу микроядра, непрактичны с коммерческой точки зрения из-за слишком низкой эффективности.

Означает ли тот факт, что большая часть Windows работает в режиме ядра, ее меньшую надежность в сравнении с ОС на основе микроядра? Вовсе нет. Рассмотрим следующий сценарий. Допустим, в коде ФС имеется ошибка, которая время от времени приводит к краху системы. Ошибка в коде режима ядра (например, в диспетчере памяти или ФС) скорее всего вызовет полный крах традиционной ОС. В истинной ОС на основе микроядра подобные компоненты выполняются в пользовательском режиме, поэтому теоретически ошибка приведет лишь к завершению процесса соответствующего компонента. Но на практике такая ошибка все равно вызовет крах системы, так как восстановление после сбоя столь критически важного процесса невозможно.

ПРИМЕЧАНИЕ. Все эти компоненты ОС, конечно, полностью защищены от сбойных приложений, поскольку такие программы не имеют прямого доступа к коду и данным привилегированной части ОС (хотя и способны вызывать сервисы ядра). Эта защита — одна из причин, по которым Windows заслужила репутацию отказоустойчивой и стабильной ОС в качестве сервера приложений и платформы рабочих станций, обеспечивающей быстродействие основных системных сервисов вроде поддержки виртуальной памяти, файлового ввода-вывода, работы с сетями и доступа к общим файлам и принтерам.

Компоненты Windows режима ядра также построены на принципах объектноориентированного программирования (ООП). Так, для получения информации о какомлибо компоненте они, как правило, не обращаются к его структурам данных. Вместо этого для передачи параметров, доступа к структурам данных и их изменения используются формальные интерфейсы.

Обзор архитектуры

Теперь обратимся к ключевым компонентам системы, составляющим ее архитектуру. Упрощенная версия этой архитектуры показана на Рис. 4 (упрощенная схема не отражает всех деталей архитектуры).

Прямоугольники над разделительной линией соответствуют процессам пользовательского режима, а компоненты под ней — сервисам режима ядра. Известно, что потоки пользовательского режима выполняются в защищенных адресных пространствах процессов (хотя при выполнении в режиме ядра они получают доступ к системному пространству). Таким образом, процессы поддержки системы, сервисов, приложений и подсистем окружения имеют свое адресное пространство.

Существует четыре типа пользовательских процессов:

• • фиксированные процессы поддержки системы (system support processes) — например, процесс обработки входа в систему и диспетчер сеансов, не являющиеся сервисами Windows (т. е. не запускаемые диспетчером управления сервисами);
• • процессы сервисов (service processes) — носители Windows-сервисов вроде Task Scheduler и Spooler. Многие серверные приложения Windows, например Microsoft SQL Server и Microsoft Exchange Server, тоже включают компоненты, выполняемые как сервисы;
• • пользовательские приложения (user applications) — бывают шести типов:
• • 32-разрядной Windows,
• • 64-разрядной Windows,
• • 16-разрядной Windows 3.1,
• • 16-разрядной MS-DOS,
• • 32-разрядной POSIX,
• • 32-разрядной OS/2;
• • подсистемы окружения (environment subsystems) — реализованы как часть поддержки среды ОС, предоставляемой пользователям и программистам. Изначально Windows NT поставлялась с тремя подсистемами окружения: Windows, POSIX и OS/2. Последняя была изъята в Windows 2000. Что касается Windows XP, то в ней исходно поставляется только подсистема Windows, улучшенная подсистема POSIX доступна как часть бесплатного продукта Services for UNIX.

В Windows пользовательские приложения не могут вызывать родные сервисы ОС напрямую, вместо этого они работают с одной или несколькими DLL подсистем. Их назначение заключается в трансляции документированных функций в соответствующие внутренние (и обычно недокументированные) вызовы системных сервисов Windows.

Windows включает следующие компоненты режима ядра:

• • Исполнительная система (executive) Windows, содержащая базовые сервисы ОС, которые обеспечивают управление памятью, процессами и потоками, защиту, ввод-вывод и взаимодействие между процессами.
• • Ядро (kernel) Windows, содержащее низкоуровневые функции ОС, которые поддерживают, например, планирование потоков, диспетчеризацию прерываний и исключений, а также синхронизацию при использовании нескольких CPU. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых исполнительной системой для реализации структур более высокого уровня.
• • Драйверы устройств (device drivers), в состав которых входят драйверы аппаратных устройств, транслирующие пользовательские вызовы функции ввода-вывода в запросы, специфичные для конкретного устройства, а также сетевые драйверы и драйверы файловых систем.
• • Уровень абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL), изолирующий ядро, драйверы и исполнительную систему Windows от специфики оборудования на данной аппаратной платформе (например, от различий между материнскими платами).
• • Подсистема поддержки окон и графики (windowing and graphics system), реализующая функции графического пользовательского интерфейса (GUI), более известные как Windows-функции модулей USER и GDI. Эти функции обеспечивают поддержку окон, элементов управления пользовательского интерфейса и отрисовку графики.

Переносимость

Windows рассчитана на разные аппаратные платформы, включая как CISC-системы Intel, так и RISC-системы.

Переносимость Windows между системами с различной аппаратной архитектурой и платформами достигается главным образом двумя способами.

• • Windows имеет многоуровневую структуру. Специфичные для архитектуры CPU или платформы низкоуровневые части системы вынесены в отдельные модули. Благодаря этому высокоуровневая часть системы не зависит от специфики архитектур и аппаратных платформ. Ключевые компоненты, обеспечивающие переносимость ОС, — ядро (содержится в файле Ntoskrnl. exe) и уровень абстрагирования от оборудования (HAL) (содержится в файле Hal. dll). Функции, специфичные для конкретной архитектуры (переключение контекста потоков, диспетчеризация ловушек и др.), реализованы в ядре. Функции, которые могут отличаться на компьютерах с одинаковой архитектурой (например, в системах с разными материнскими платами), реализованы в HAL. Еще один компонент, содержащий большую долю кода, специфичного для конкретной архитектуры — диспетчер памяти (memory manager), но если рассматривать систему в целом, такого кода все равно немного.
• • Подавляющее большинство компонентов Windows написано на С и лишь часть из них — на C++. Язык ассемблера применяли только при создании частей системы, напрямую взаимодействующих с системным оборудованием (например, при написании обработчика ловушек прерываний) или требующих исключительного быстродействия (скажем, при переключении контекста). Ассемблерный код имеется не только в ядре и HAL, но и в составе некоторых других частей ОС: процедур, реализующих взаимоблокировку, механизма вызова локальных процедур (LPC), части подсистемы Windows, выполняемой в режиме ядра, и даже в некоторых библиотеках пользовательского режима (например, в коде запуска процессов в Ntdll. dll — системной библиотеке).

Симметричная многопроцессорная обработка

Многозадачность (multitasking) — механизм ОС, позволяющий использовать один CPU для выполнения нескольких потоков. Однако истинно одновременное выполнение, например, двух потоков возможно, только если на компьютере установлено два CPU. При многозадачности система лишь создает видимость одновременного выполнения множества потоков, тогда как multi-CPU система действительно выполняет сразу несколько потоков — по одному на каждом CPU.

Windows является ОС, поддерживающей симметричную многопроцессорную обработку (symmetric multiprocessing, SMP). В этой модели нет главного CPU; ОС, как и пользовательские потоки, может выполняться на любом CPU. Кроме того, все CPU используют одну и туже память. При асимметричной многопроцессорной обработке (asymmetric multiprocessing, ASMP) система, напротив, выбирает один из CPU для выполнения кода ядра ОС, а другие CPU выполняют только пользовательский код. Различия между этими двумя моделями показаны.

Windows XP и Windows Server 2003 поддерживают два новых типа multi-CPU систем: логические процессоры (hyperthreading) и NUMA (Non-Uniform Memory Architecture).

Логические процессоры — это технологии, созданная Intel; благодаря ей на одном физическом CPU может быть несколько логических. Каждый логический CPU имеет свое состояние, но исполняющее ядро (execution engine) и набортный кэш (onboard cache) являются общими. Это позволяет одному из логических CPU продолжать работу, пока другой логический CPU занят (например, обработкой прерывания, которая не дает потокам выполняться на этом логическом CPU). Алгоритмы планирования в Windows XP были оптимизированы под компьютеры с такими CPU.

В NUMA-системах CPU группируются в блоки, называемые узлами (nodes). В каждом узле имеются свои CPU и память, и он соединяется с остальными узлами специальной шиной. Windows в NUMA-системе по-прежнему работает как SMP-система, в которой все CPU имеют доступ ко всей памяти, — просто доступ к памяти, локальной для узла, осуществляется быстрее, чем к памяти в других узлах. Система стремится повысить производительность, выделяя потокам время на CPU, которые находятся в том же узле, что и используемая память. Она также пытается выделять память в пределах узла, но при необходимости выделяет память и из других узлов.

Хотя Windows изначально разрабатывалась для поддержки до 32 CPU, многопроцессорной модели не свойственны никакие внутренние особенности, которые ограничивали бы число используемых CPU до 32. Просто это число легко представить битовой маской с помощью машинного 32-разрядного типа данных. И действительно, 64 разрядные версии Windows поддерживают до 64 CPU, потому что размер слова на 64-разрядных CPU равен 64 битам.

Реальное число поддерживаемых CPU зависит от конкретного выпуска Windows. Это число хранится в параметре реестра.

HKLMSYSTEMCurrentControlSetControlSessionManagerLicensed-Processors.

Для большей производительности ядро и HAL, имеют однои multi-CPU версии. В случае Windows 2000 это относится к шести ключевым системным файлам, а в 32разрядных Windows XP и Windows Server 2003 — только к трем. В 64-разрядных системах Windows ядра РАЕ нет, поэтому singleи multi-CPU системы отличаются лишь ядром и HAL.

Соответствующие файлы выбираются и копируются в локальный каталог WindowsSystem32 на этапе установки. Чтобы определить, какие файлы были скопированы, см. файл WindowsRepairSetup. log, где перечисляются все файлы, копировавшиеся на локальный системный диск, и каталоги на дистрибутивном носителе, откуда они были взяты.

Масштабируемость

Масштабируемость (scalability) — одни из ключевых целей multi-CPU систем. Для корректного выполнения в SMP-системах ОС должна строго соответствовать определенным требованиям. Решить проблемы конкуренции за ресурсы и другие вопросы в multi-CPU системах сложнее, чем в single-CPU, и это нужно учитывать при разработке системы. Некоторые особенности Windows оказались решающими для ее успеха как multi-CPU ОС:

• • способность выполнять код ОС на любом доступном CPU и на нескольких CPU одновременно;
• • несколько потоков одного процесса можно параллельно выполнять на разных CPU;
• • тонкая синхронизация внутри ядра (спин-блокировки, спин-блокировки с очередями и др.), драйверов устройств и серверных процессов позволяет выполнять больше компонентов на нескольких CPU одновременно;
• • механизмы вроде портов завершения ввода-вывода, облегчающие эффективную реализацию многопоточных серверных процессов, хорошо масштабируемых в multi-CPU системах. Масштабируемость ядра Windows со временем улучшалась. Например, в Windows Server 2003 имеются очереди планирования, индивидуальные для каждого CPU, что дает возможность планировать потоки параллельно на нескольких машинах.

Различия между клиентскими и серверными версиями

Windows поставляется в клиентских и серверных версиях. В Windows 2000 клиентская версия называется Windows 2000 Professional. Существует также три серверных версии Windows 2000: Windows 2000 Server, Advanced Server и Datacenter Server.

У Windows XP шесть клиентских версий: Windows XP Home Edition, Windows XP Professional, Windows XP Starter Edition, Windows XP Tablet PC Edition, Windows XP Media Center Edition и Windows XP Embedded.

Windows Server 2003 выпускается в шести разновидностях: Windows Server 2003 Web Edition, Standard Edition, Small Business Server, Storage Server, Enterprise Edition и Datacenter Edition.

Эти версии различаются по следующим параметрам:

• • числу поддерживаемых CPU;
• • объему поддерживаемой физической памяти;
• • возможному количеству одновременных сетевых соединений (например, в клиентской версии допускается максимум 10 одновременных соединений со службой доступа к общим файлам и принтерам);
• • наличием в выпусках Server сервисов, не входящих в Professional (например, служб каталогов, поддержкой кластеризации и многопользовательской службы терминала).

Проверочный выпуск

Специальная отладочная версия Windows 2000 Professional, Windows XP Professional или Windows Server 2003 называется проверочным выпуском (checked build). Она доступна только подписчикам MSDN уровня Professional (или выше). Проверочный выпуск представляет собой перекомпилированный исходный код Window для которого флаг «DBG» (заставляющий включать код отладки и трассировки этапа компиляции) был установлен как TRUE. Кроме того, чтобы облегчить восприятие машинного кода, отключается обработка двоичных файлов, при которой структура кода оптимизируется для большего быстродействия (см. раздел «Performance-Optimized Code» в справочном файле Debugging Tools).

Проверочный выпуск предназначен главным образом разработчикам драйверов устройств, поскольку эта версия выполняет более строгую проверку ошибок при вызове функций режима ядра драйверами устройств или другим системным кодом. Например, если драйвер (или какой-то иной код режима ядра) вызывает системную функцию, контролирующую передаваемые параметры, то при обнаружении этой проблемы система останавливается, предотвращая повреждение структур данных и возможный крах. операционный серверный абстрагирование драйвер

Ключевые компоненты системы

Рассмотрим роль каждого ключевого компонента системы. На Рис. 7 отражена более подробная схема системной архитектуры Windows. Заметьте, что на ней все равно не показаны некоторые компоненты (в частности, компоненты сетевой поддержки).