Поток – это структурная единица процесса; процесс может содержать один или несколько потоков. Поток совместно использует глобальные структуры данных и адресное пространство процесса, но при этом имеет собственные данные. Переключение между процессами – задача весьма трудоемкая, которая включает в себя сохранение состояния процессора в специальной структуре данных, зависящей от процесса, и-изменение регистров управления памятью и процессором. Переключение между потоками осуществляется намного быстрее, поскольку требует сохранения гораздо меньшего объема данных.
Каждый поток связан с объектом потока, поддерживаемым диспетчером объектов. Информация, которая содержится в объекте, включает в себя данные о первичном центральном процессоре в многопроцессорных системах, состояние потока (т.е. выполняется ли поток, или готов к выполнению, или заблокирован в процессе ввода-вывода), а также другие параметры потока.
Поток может работать в пользовательском режиме и в режиме ядра. Потоки в режиме ядра могут создаваться только структурами, работающими в этом режиме, например драйверами устройств, и они всегда выполняются в режиме ядра. Потоки пользовательского режима обычно выполняются именно в этом режиме, кроме тех случаев, когда это происходит в режиме ядра после запроса к службе Windows NT, как уже отмечалось в разделе 1.1.
1.3 Архитектура Windows NT
Операционная система Windows NT проектировалась как модульная, многоуровневая архитектура, поддерживающая расширения за счет добавление новых функций. Архитектура позволяет добавлять поддержку новых устройств и новых возможностей, например шифрующей файловой системы (EFS). Архитектура системы позволяет добавлять поддержку приложений, которые основаны на других операционных системах, например OS/2 или POSIX. Конечно, обе эти системы более важны с исторической точки зрения, но они являются хорошим примером мЬдульной расширяемой архитектуры.
На рис. 1.2 показана высокоуровневая архитектура Windows NT. Как уже отмечалось во вступительном разделе, термин Windows NT используется для описания всех версий операционной системы Windows, основанных на технологии NT. В это семейство входят Windows NT 3. x, Windows NT 4.0, Windows 2000,' Windows XP и Windows Server 2003.
Далее в этом разделе рассматриваются различные компоненты, показанные на рис. 1.2. Обратите внимание на линию, которая разделяет режим ядра и пользовательский режим. Важнейшие различия между этими режимами уже рассматривалась ранее в главе.
Рис. 1.2. Архитектура Windows NT
Режим ядра содержит все привилегированные процессы, которые выполняются на уровне 0 архитектуры Intel х86. Режим ядра Windows NT состоит из трех основных подсистем.
Уровень аппаратных абстракций?
Ядро Windows NT.
Выполняемый модуль Windows NT.
В следующих трех разделах эти компоненты рассматриваются более подробно.
1.3.1 Уровень аппаратных абстракций
Уровень аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Layer – HAL) обеспечивает защиту данных за счет управления доступом к аппаратным ресурсам. Это единственный модуль операционной системы Windows NT, который содержит код, зависящий от аппаратного обеспечения (или от архитектуры процессора). Кроме того, для написания уровня аппаратных абстракций иногда применяется язык ассемблера. В целом уровень аппаратных абстракций предоставляет дополнительный уровень абстракции компонентам более
высокого уровня. Это позволяет создавать высокоуровневые компоненты, не зависящие от аппаратной архитектуры. Ниже описаны функциональные возможности, которые цредоставляет уровень аппаратных абстракций.
Интерфейс службы таймера, благодаря которому выполняемый модуль Windows NT абстрагируется от функций аппаратного обеспечения таймера нижнего уровня.
Поддержка ввода-вывода в контексте системной шины и прямого доступа к памяти (direct memory access – DMA). Уровень аппаратных абстракций выполняет трансляцию данных между внешней шиной и информацией об адресации Windows NT. Кроме того, предоставляется поддержка для информации о конфигурации шины.
Поддержка прерываний путем связывания (отображения) внешних прерываний с запросами прерываний (IRQ) Windows NT. Кроме того, предоставляется маскировка/демаскировка служб для прерываний.
1.3.2 Ядро Windows NT
Ядро Windows NT представляет собой следующий уровень после уровня аппаратных абстракций, который обеспечивает работу выполняемого модуля Windows NT (рассматривается в разделе 1.3.3) и других подсистем. Ядро системы выполняет следующие основные функции:
помощь в синхронизации данных;
планирование выполнения потоков и процессов;
управление прерываниями и исключениями;
восстановление системы после аварийных ситуаций, например после отказа питания.
Данные ядра всегда находятся в оперативной памяти и никогда не выгружаются на диск, как это происходит с пользовательскими приложениями. Данные ядра не могут быть вытеснены другими данными. Это значит, что выполнение кода ядра не может быть прервано ради другого кода, если только ядро не выполняет это самостоятельно. Ядро представляет собой объектно- ориентированную систему, в которой используется два класса объектов.
1. Объекты-диспетчеры, которые позволяют управлять потоками и процессами и применяются для синхронизации различных потоков/процессов. В число объектов-диспетчеров входят мьютекс-флаги (mutex – это сокращение от «mutual exclusion», т.е. взаимное исключение), семафоры (semaphore) и таймеры (timer). Мьютекс-флаги являются объектами синхронизации и используются для синхронизации данных между двумя компонентами.
2. Объекты управления, например асинхронные вызовы процедур (asynchronous procedure calls – АРС) и процедуры обслуживания прерываний (interrupt service routines – ISR), которые рассматриваются более подробно в разделах 1.5.1 и 1.5.3.
1.3.3 Выполняемый модуль Windows NT
Выполняемый модуль (Windows NT Executive) обеспечивает работу ключевых функций, включая программные интерфейсы приложений (API), которые позволяют потокам из пользовательского режима в Windows NT взаимодействовать с ядром Windows NT для запроса на предоставление услуг. Как и ядро Windows NT, выполняемый модуль не может быть выгружен из памяти. Модуль управляет несколькими операциями, включая ввод-вы- вод данных, поддержку работы системы безопасности, межпроцессное взаимодействие, управление памятью и процессами, поддержку интерфейса Plug and Play, управление питанием, файловыми системами, объектами и графическими устройствами. Весь выполняемый модуль Windows NT размещен в одном файле – ntoskrnl. exe. Для выполнения задач модуля создается лишь несколько потоков. Обычно системный процесс из пользовательского режима запрашивает запуск службы, и модуль будет выполняться в контексте запросившего процесса. Примером потока, который создается выполняемым модулем, может служить поток сброса страниц на диск.
Выполняемый модуль Windows NT, в свою очередь, содержит следующие компоненты:
• диспетчер объектов;
• монитор ссылок безопасности;
• диспетчер процессов;
• подсистема Plug and Play;
• диспетчер энергопитания;
• диспетчер виртуальной памяти;
• диспетчер кэша.
1.3.3.1 Диспетчер объектов
Диспетчер объектов (Object Manager) Windows NT предоставляет свои услуги другим компонентам Windows NT, включая непосредственно выполняемый модуль (элементом которого диспетчер и является). Диспетчер объектов предоставляет службы для именования, создания, удаления, манипулирования и совместного использования объектов. Он активно сотрудничает с монитором ссылок безопасности, чтобы обеспечить соответствующий доступ к определенным объектам только пользователям и процессам с достаточными разрешениями. Соответствующий означает, что предоставляется доступ определенного типа, например доступ только для чтения. Каждый объект, созданный диспетчером объектов, имеет связанный с ним список управления доступом (access control list – ACL). На самом деле этот список представляет собой группу объектов, которые указывают разрешения, явно или неявно предоставленные пользователю или группе; кроме того, в список управления доступом могут входить объекты, ограничивающие права доступа для данного пользователя или группы.
Диспетчер объектов назначает дескриптор каждому созданному объекту. При этом обеспечивается уникальность дескрипторов и предоставляется возможность преобразования дескриптора в ссылку на уникальный объект. Но клиенты диспетчера объектов используют дескриптор в виде «непрозрачного» маркера без внутренней структуры. К объектам, с которыми работает диспетчер, относятся файлы, каталоги, порты, процессы, потоки, семафоры и объекты событий.
