Гордеев А.В. Операционные системы

Подождите немного. Документ загружается.

392 Глава 11. Операционные системы Windows

dows 9x, система Windows NT дает возможность выполнять 16-разрядные Win-

dows-программы индивидуально в собственных пространствах памяти или совмест-

но в разделяемом адресном пространстве. Почти во всех случаях 16- и 32-разрядные

прикладные Windows-программы могут свободно взаимодействовать, используя

механизм OLE, независимо от того, выполняются они в отдельной или общей па-

мяти. Собственные прикладные программы и сеансы WOW выполняются в режи-

ме вытесняющей многозадачности, основанной на управлении отдельными пото-

ками. Несколько 16-разрядных прикладных Windows-программ в одном сеансе

WOW выполняются в соответствии с кооперативной моделью многозадачности.

Windows NT может также открыть в многозадачном режиме несколько сеансов

DOS. Поскольку Windows NT имеет полностью 32-разрядную архитектуру, не су-

ществует теоретических ограничений на ресурсы компонентов GDI и User.

При запуске приложения создается процесс со своей информационной структу-

рой. В рамках процесса запускается поток выполнения. При необходимости этот

поток может инициировать запуск множества других потоков, которые будут вы-

полняться параллельно в рамках одного процесса. Очевидно, что множество запу-

щенных процессов также выполняются параллельно, и каждый из процессов мо-

жет представлять собой мультизадачное (многопоточное) приложение. Задачи

(потоки) в рамках одного процесса выполняются в едином виртуальном адресном

пространстве, а процессы выполняются в различных виртуальных адресных про-

странствах. Короче, все это почти полностью напоминает Windows 9x.

Отображение различных виртуальных адресных пространств исполняющихся про-

цессов на физическую память осуществляется по принципам страничной органи-

зации виртуальной памяти.

Процессами выделения памяти, ее резервирования, освобождения и замещения

страниц управляет диспетчер виртуальной памяти (Virtual Memory Manager,

VMM) Windows NT. В своей работе этот компонент реализует сложную страте-

гию учета требований к коду и данным процесса для минимизации обращений к

диску, поскольку реализация виртуальной памяти часто приводит к большому

количеству дисковых операций. Для взаимодействия между выполняющимися

приложениями и между приложениями и кодом самой операционной системы

используются соответствующие механизмы защиты памяти, поддерживаемые ап-

паратурой микропроцессора.

Каждая виртуальная страница памяти, отображаемая на физическую страницу,

переносится в так называемый страничный кадр (page frame). Прежде чем код или

данные можно будет переместить с диска в память, диспетчер виртуальной памя-

ти должен найти или создать свободный или нулевой (заполненный нулями) стра-

ничный кадр. Заметим, что заполнение страниц нулями представляет собой одно

из требований стандарта на системы безопасности уровня С2, принятого прави-

тельством США. Страничные кадры перед своим выделением должны заполнять-

ся нулями, чтобы исключить возможность использования их предыдущего содер-

жимого другими процессами. Чтобы кадр можно было освободить, необходимо

скопировать на диск изменения в его странице данных, и только после этого кадр

можно будет повторно использовать. Программы, как правило, не меняют страниц

кода. Такие страницы можно просто расформировать (удалить).

Операционные системы Windows NT/2000/XP 393

Диспетчер виртуальной памяти может быстро и относительно легко удовлетво-

рить программные прерывания типа страничной ошибки (page fault). Что касается

аппаратных прерываний типа страничной ошибки, то они приводят к необходи-

мости подкачки нужных страниц (paging), что снижает производительность систе-

мы. Мы уже говорили (см. главу 3), что в Windows NT, к большому сожалению,

для замещения страниц выбрана дисциплина FIFO, а не более эффективная дис-

циплина LRU или LFU, как это сделано в других операционных системах.

Когда процесс использует код или данные, находящиеся в физической памяти,

система резервирует место для этой страницы в файле подкачки Pagefile.sys на диске.

Это делается с расчетом на то, что данные потребуется выгрузить на диск. Файл

Pagefile.sys представляет собой зарезервированный блок дискового пространства,

который используется для выгрузки страниц, помеченных как «грязные», для ос-

вобождения физической памяти. Заметим, что этот файл может быть как непре-

рывным, так и фрагментированным; он может быть расположен на системном дис-

ке или на любом другом и даже на нескольких дисках. Размер этого страничного

файла ограничивает объем данных, которые могут храниться во внешней памяти

при использовании механизмов виртуальной памяти. По умолчанию размер фай-

ла подкачки в операционных системах Windows NT 4.0 устанавливается равным

объему физической памяти плюс 12 Мбайт, однако пользователь имеет возмож-

ность изменить его размер по своему усмотрению. В следующих системах (Win-

dows 2000/ХР) начальный размер страничного файла подкачки берется равным

полуторакратному объему физической оперативной памяти. То есть, например,

для компьютера, имеющего 512 Мбайт оперативной памяти, по умолчанию раз-

мер файла Pagefile.sys равен 768 Мбайт. Проблема нехватки виртуальной памяти

часто может быть решена за счет увеличения размера файла подкачки. Файл под-

качки может быть не один — система поддерживает до 16 файлов подкачки, поэто-

му лучше создать их несколько и разместить на быстрых жестких дисках.

В системах Windows NT 4.0 объекты, создаваемые и используемые приложениями

и операционной системой, хранятся в так называемых пулах памяти (memory

pools). Доступ к этим пулам может быть получен только в привилегированном ре-

жиме работы процессора, в котором функционируют компоненты операционной

системы. Поэтому для того чтобы объекты, хранящиеся в пулах, стали видимы

потокам выполнения приложений, эти потоки должны переключиться в привиле-

гированный режим.

Перемещаемый, или нерезидентный, пул (paged pool) содержит объекты, которые

могут быть при необходимости выгружены на диск. Неперемещаемый, или рези-

дентный, пул (nonpaged pool) содержит объекты, которые должны постоянно на-

ходиться в памяти. В частности, к такого рода объектам относятся структуры

данных, используемые процедурами обработки прерываний, а также структуры,

требуемые для предотвращения конфликтов в мультипроцессорных системах.

Исходный размер пулов определяется объемом физической памяти, доступной

Windows NT. Впоследствии размер пула устанавливается динамически и в зави-

симости от работающих в системе приложений и служб может изменяться в Щиро-

ком диапазоне значений.

394

Глава 11. Операционные системы Windows

Вся виртуальная память в Windows NT подразделяется на зарезервированную

(reserved), выделенную (committed) и доступную (available).

Q Зарезервированная память представляет собой набор непрерывных адресов,

которые диспетчер виртуальной памяти (VMM) выделяет для процесса, но не

учитывает в общей квоте памяти процесса до тех пор, пока она не будет факти-

чески задействована. Когда процессу требуется выполнить запись в память, ему

выделяется нужный объем из зарезервированной памяти. Если процессу по-

требуется больший объем памяти, то при наличии в системе доступной памяти

дополнительная память может быть одновременно зарезервирована и исполь-

зована.

• Память выделена, если диспетчер виртуальной памяти резервирует для нее

место в файле Pagefile.sys на тот случай, когда потребуется выгрузить содержи-

мое памяти на диск. Объем выделенной памяти процесса характеризует факти-

чески потребляемый им объем памяти. Выделенная память ограничивается

размером файла подкачки. Предельный объем выделенной памяти в системе

(commit limit) определяется тем, какой объем памяти можно выделить процес-

сам без увеличения размеров файла подкачки. Если в системе достаточно дис-

кового пространства, то файл подкачки может быть увеличен, тем самым будет

расширен предельный объем выделенной памяти.

• Вся память, которая не является ни выделенной, ни зарезервированной, явля-

ется доступной. К доступной относится свободная память, обнуленная память

(освобожденная и заполненная нулями), а также память, находящаяся в списке

ожидания (standby list), то есть та, которая была удалена из рабочего набора

процесса, но может быть затребована вновь.

Контрольные вопросы и задачи

Вопросы для проверки

1. Опишите основные архитектурные особенности операционных систем семей-

ства Windows 9x.

2. Расскажите об организации мультизадачное™ в операционных системах Win-

dows. Какие методы диспетчеризации используются в этих операционных сис-

темах?

3. Расскажите об управлении памятью в операционных системах семейства Win-

dows 9х. Приведите карту распределения памяти и объясните причины невы-

сокой надежности этих операционных систем.

4. Перечислите используемые планировщиком механизмы, которые обеспечивают

бесперебойную работу системы и быструю реакцию на действия пользователя.

5. Опишите основные архитектурные особенности операционных систем семей-

ства Windows NT.

6. Перечислите функции ядра (микроядра). Какова роль исполняющей системы

(Win32 executive)? Какие основные компоненты входят в ее состав?

Контрольные вопросы и задачи

395

7. Какие функции выполняют компоненты Window Manager, GDI и драйверы

графических устройств? Зачем их код получил нулевой уровень привилегий?

Укажите положительные и отрицательные стороны этого решения.

8. Изложите основные идеи модели безопасности, принятой в системах Win-

dows NT. Что следует понимать под терминами «права» и «разрешения»? Чем

определяются права конкретного пользователя?

9. Что представляет собой список управления доступом? Расскажите о разреше-

ниях файловой системы NTFS. Что такое SID?

10. Что означает локальность учетной записи? Бывают ли глобальные (переме-

щаемые) учетные записи? Что такое домен? Какую роль играет контроллер

домена?

11. Расскажите об управлении памятью в операционных системах семейства Win-

dows NT. Приведите карту распределения памяти и объясните причины высо-

кой надежности этих операционных систем.

Задания

1. Изучите работу утилиты SysMon.exe (системный монитор, System monitor), вхо-

дящей в состав операционных систем Windows 9x. Исследуйте загрузку цент-

рального процессора и подсистемы управления памятью (использование опе-

ративной памяти и файла подкачки) при запуске ресурсоемких приложений

(например, Adobe Photoshop или аналогичных ему в плане расходования вы-

числительных ресурсов).

2. Изучите работу утилиты PerfMon.exe (системный монитор, Performance mo-

nitor), входящей в состав операционных систем Windows NT/2000/XP. Ис-

следуйте загрузку центрального процессора и подсистемы управления памятью

(использование оперативной памяти и файла подкачки) при запуске ресурсо-

емких приложений (например, Adobe Photoshop или аналогичных ему в пла-

не расходования вычислительных ресурсов).

Список терминов

Термин

Access

Access Control Entry

Access Control List

Access mask

Account

Account name

Active Directory

Allocation block

Application Program Interface

Auditing

Available (memory)

Background session

Bad

Bad block list

Band

Base Input-Output System

Batch

Binary Tree

Bit map

Bit Test and Reset

Bitmap block list

Boot block

Boot manager

Boot Record

Bootstrap loader

Cache Manager

Capabilities

Аббревиатура

ACE

ACL

API

BIOS

B-Tree

BTS

Перевод

Обращение

Запись списка управления доступом

Список управления доступом

Маска доступа

Учетная запись

Входное, или учетное, имя

Активный каталог

Блок размещения

Интерфейс прикладного

программирования

Аудит

Доступная (память)

Фоновый сеанс

Плохой (блок или кластер)

Список дефектных блоков

Полоса

Базовая подсистема ввода-вывода

Пакет, пакетный (файл)

Двоичное дерево

Битовая карта

Проверка и установка бита

Список битовых карт

Загрузочный блок

Менеджер загрузки

Загрузочная запись

Процедура начальной загрузки

Диспетчер кэша

Полномочия

Список терминов

Термин

Аббревиатура

Перевод

397

Carry Flag

Chain

Change permissions

Change time

Chunk

Clean

Code Segment

Coder

Committed

Common Object Request

Broker Architecture

Configuration Manager

Consumable Resource

Conventional memory

Cooperating processes

Cooperative multitasking

Critical Section

Current Privilege Level

Cylinder

Cylinder-Head-Sector

Data Control Block

Deadlock

Deny

Descriptor Privilege Level

Desktop

Device Reference Table

Direct Memory Access

Directory

Directory band

Directory emergency free block list

CORBA

CPL

C-H-S

DCB

DPL

DRT

DMA

Флаг переноса

Цепочка

Изменение разрешений

Время последнего изменения атрибутов

Порция (данных)

Чистая (страница)

Сегмент кода

Кодировщик

Выделенная (память)

Общая архитектура посредника

объектных запросов

Диспетчер конфигурации

Расходуемый, или потребляемый, ресурс

Основная, или стандартная, память

Взаимодействующие процессы

Кооперативная многозадачность

Критическая секция

Текущий уровень привилегий

Цилиндр

Номера цилиндра, головки и сектора

Блок управления данными

Тупик, клинч

Запрет

Уровень привилегии сегмента,

определяемый его дескриптором

Рабочий стол

Таблица описания виртуальных

логических устройств

Прямой доступ к памяти

Каталог

Полоса каталогов

Dirty

Discretionary ACL

Disk cache

Disk Parameter Block

Disks Operating System

Domain controller

Domain Name System

Dynamic Data Exchange

DACI

DPB

DOS

DNS

DDE

Список свободных запасных блоков

каталогов

Грязная (страница), грязный (бит)

Дискреционный список ACL

Дисковый кэш

Блок параметров диска

Дисковая операционная система

Контроллер домена

Система доменного именования

Динамический обмен данными

продолжение ^>

398

Продолжение таблицы

Термин Аббревиатура

Dynamic Host Control Protocol DHCP

Dynamic Link Library DLL

Dynamic priority variation

Effective Group ID EGID

Effective Privilege Level EPL

Effective User ID EUID

Effective Performance

Embedded

Equipment table EQT

Execution priority

Expanded Memory Specification EMS

Extended

Extended Attributes EAs

Extended Instruction Pointer EIP

Extended Memory Specification XMS

Extensable Architecture

Extent

Fast File System FFS

Fault-Tolerant Networking

File Allocation Table FAT

File node F-node

File reference

File System access Group ID ' FSGID

File System access User ID FSUID

First Come First Served FCFS

First In First Out FIFO

First-class delivery

FixPak

FLEET Transport Layer FTL

Folder

Foreground boost

Foreground session

Foreground task

Form Disk FDisk

Список терминов

Перевод

Протокол управления динамической

адресацией компьютеров

Динамически связываемые библиотеки

Динамическое изменение приоритета

Эффективный идентификатор группы

Эффективный уровень привилегий

Эффективный идентификатор

пользователя

Эффективная производительность

Внедренная (система)

Таблица оборудования

Приоритет выполнения

Дополнительная (отображаемая) память

Расширенный (раздел)

Расширенные атрибуты

Расширенный указатель команд

Расширенная память

Расширяемая архитектура

Фрагмент (файла)

Быстродействующая файловая система

Надежная работа в сети

Таблица размещения файлов

Файловый узел

Файловая ссылка

Идентификатор доступа группы

к файловой системе

Идентификатор доступа пользователя

к файловой системе

Первым пришел, первым обслужен

Первый пришедший первым и выбывает

Первый класс доставки

Пакет исправлений и обновлений

Транспортный уровень FLEET

Папка

Повышение приоритета активной задачи

Активный сеанс

Активная задача (с которой сейчас

работает пользователь)

Формирование диска

Список терминов

Термин Аббревиатура

Gate

Generic

Global Descriptor Table GDT

Global Descriptor Table Register GDTR

Graphical Device Interface GDI

Graphical User Interface GUI

Group Identifier GID

Hardware Abstraction Layer HAL

Hardware Emulation Layer HEL

Head

Hidden

High Memory Area HMA

High Performance File System HPFS

Hint

Home

Host

HotFix

HotFix areas

HotFix map

I/O Request Packet IRP

Independed processes

Input/Output boost

Input/Output Manager

Input/Output Supervisor IOS

Installable File System IFS

Institute of Electrical IEEE

and Electronics Engineers

Instruction Pointer IP

Interface

Inter-Process Communication IPC

Interrupt

Interrupt Descriptor Table IDT

Interrupt Descriptor IDTR

Table Register

Interrupt gate

399

Перевод

Шлюз

Родовые (права доступа)

Глобальная таблица дескрипторов

Регистр глобальной таблицы

дескрипторов

Графический интерфейс устройства

Графический интерфейс пользователя

Идентификатор группы

Уровень абстракции аппаратных средств

Уровень эмуляции аппаратных средств

Головка (чтения/записи данных)

Невидимый (раздел)

Область памяти с большими адресами

(выше 1 Мбайт)

Высокопроизводительная файловая

система

Подсказка

Домашний (каталог)

Хост

Аварийное замещение

Области аварийного замещения

Карта аварийного замещения

Пакет запросов на ввод-вывод

Независимые процессы

Повышение приоритета ввода-вывода

Диспетчер ввода-вывода

Супервизор ввода-вывода

Устанавливаемая (монтируемая)

файловая система

Институт инженеров по электротехнике

и радиоэлектронике

Указатель команд

Интерфейс

Взаимодействие между процессами

Прерывание

Таблица дескрипторов прерываний

Регистр таблицы дескрипторов

прерываний

Коммутатор прерываний

продолжение &

400

Продолжение таблицы

Термин Аббревиатура

Interrupt if overflow INTO

Interrupt Request INTR

Interrupt Request IRQ

Job Control Language JCL

Journaling File System JFS

Kernel

Kernel mode

Last Come First Served

Lazy write

Least Frequently Used LFU

Least Recently Used LRU

Load Balancing on the Fly

Local Descriptor Table Register LDTR

Local Procedure Call LPC

Logical block addressing LBA

Logical disk

Logical Disk Table LDT

Logical Volume Manager LVM

Long File Name LFN

Mailbox

Mailslot

Main

Marshalling

Master

Master Boot Record MBR

Master File Table MFT

Memory pool

Modification time

Module

Module database

Multiprocess Executing

Multiprogramming with

a Variable number of Tasks MVT

Mutex

Список терминов

Перевод

Прерывание по переполнению

Запрос на прерывание

Линия запроса на прерывание

Язык управления заданиями

Файловая система с протоколированием

Ядро

Привилегированный режим, режим ядра,

или режим супервизора

Последним пришел, первым обслужен

Отложенная запись

Реже других используемый

Дольше других неиспользуемый

Балансировка нагрузки на лету

Регистр локальной таблицы

дескрипторов

Вызов локальных процедур

Регистрация,вход в систему

Логическая адресация блоков

Логический диск

Таблица логических дисков

Менеджер логических дисков

Входное, или учетное, имя

Длинное имя файла

Почтовый ящик

Гнездо почтового ящика

Главная (часть, функция)

Сборка

Главный (накопитель)

Главная загрузочная запись

Главная таблица файлов

Пул памяти

Время последнего изменения

Модуль

База данных модулей

Мультипрограммное выполнение

вычислений

Мультипрограммирование с переменным

числом задач

Мьютекс

Список терминов

Термин Аббр<

Named pipe

National Computer

Security Center

Native

New Technology File System NTFS

Nice number, или nice

No Mask Interrupt NMI

Nonpaged pool

Non-preemptive multitasking

Non-System Bootstrap NSB

Object Linking and Embedding OLE

Object Manager

Overlay

Page

Page Descriptor PD

Page Directory Entry PDE

Page fault

Page frame

Page Table Entry РТЕ

Paged pool

Paging

Paging file

Partition

Partition Table PT

Password

Permission

Pipe

Platform independent

Pool

Portable Operating System POSIX

Interface for Computer

Environments

Power On Self Test POST

Preemptive multitasking

Primary

Primary scheduler

Priority

401

Перевод

Именованный канал

Национальный центр компьютерной

безопасности

Основная,естественная, или нативная

(среда)

Файловая система новой технологии

Относительный приоритет

Немаскируемое прерывание

Неперемещаемый, или резидентный, пул

Не вытесняющая многозадачность

Внесистемный загрузчик

Связывание и внедрение объектов

Диспетчер объектов

Оверлейная (структура)

Страница

Страничный дескриптор

Таблица каталога таблиц страниц

Страничная ошибка

Страничный кадр, физическая страница

Таблица страниц

Перемещаемый, или нерезидентный, пул

Подкачка страниц

Страничный файл

Раздел, часть (памяти или диска)

Таблица разделов

Пароль

Разрешение

Канал связи,конвейер, транспортер

Аппаратная независимость

Пул

Не зависимый от платформы системный

интерфейс для компьютерного окружения

Самотестирование при включении

компьютера

Вытесняющая многозадачность

Первичный (раздел)

Основной планировщик

Приоритет

продолжение ^>