Жихаревич В.В. Операційні системи: лабораторний практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Підлягає поверненню на кафедру

Операційні системи

Методичні рекомендації

до лабораторних робіт

Чернівці

”Рута”

2010

ББК 32.973.26-018.2

О–609

УДК 004.451

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради

Чернівецького національного університету

імені Юрія Федьковича

Рецензент: Остапов С.Е., доктор фіз.-мат. наук, професор.

О–609 Операційні системи: методичні рекомендації до лаборато-

рних робіт / Укл.: Жихаревич В.В. – Чернівці: Рута, 2010. – 248 с.

Запропоноване видання узгоджене з навчальною програмою з

відповідної дисципліни та може використовуватися як посібник-

довідник для студентів, які вивчають побудову та функціонуван-

ня операційних систем. Розглядається структура операційної сис-

теми Windows, а також функції та робота окремих її підсистем.

Достатня увага приділяється питанням керування пам’яттю та

процесами в операційній системі, а також структурі файлової си-

стеми NTFS та структурі підсистеми захисту.

Для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за

напрямком підготовки „Програмна інженерія”.

ББК 32.973.26-018.2

УДК 004.451

ЗМІСТ

Вступ ...............................................................................................4

Лабораторна робота № 1. Дослідження особливостей функціо-

нування операційної системи Windows шляхом створення та

аналізу роботи Windows-додатків ..............................................5

Лабораторна робота № 2. Дослідження особливостей організації

ресурсів інтерфейсу користувача для Windows-додатків ........22

Лабораторна робота № 3. Дослідження особливостей викорис-

тання АРІ-функцій для роботи із процесами та потоками у

Windows ....................................................................................42

Лабораторна робота № 4. Дослідження особливостей плануван-

ня потоків у операційній системі Windows ..............................61

Лабораторна робота № 5. Дослідження способів організації об-

міну інформацією між процесами в операційній системі

Windows ....................................................................................80

Лабораторна робота № 6. Дослідження алгоритмів та механізмів

синхронізації процесів у операційній системі Windows. Моде-

лювання паралельних систем та усунення тупикових

ситуацій ..................................................................................104

Лабораторна робота № 7. Дослідження системи керування

пам’яттю операційної системи Windows ...............................124

Лабораторна робота № 8. Дослідження особливостей функціо-

нування менеджера пам’яті операційної системи Windows ..144

Лабораторна робота № 9. Дослідження інтерфейсу файлової си-

стеми NTFS ............................................................................162

Лабораторна робота № 10. Дослідження особливостей реалізації

файлової системи NTFS .........................................................179

Лабораторна робота № 11. Дослідження системи керування дис-

креційним доступом у операційній системі Windows ...........211

Лабораторна робота № 12. Дослідження структури системи

захисту операційної системи Windows ..................................228

Список літератури ....................................................................247

ВСТУП

Дисципліна „Операційні системи” є однією з головних у на-

прямках програмної інженерії та комп’ютерних наук. Мета ви-

кладання даної дисципліни – набуття студентами базових знань з

основ побудови та функціонування сучасних операційних систем,

які необхідні у подальшому навчанні, а також у практичній дія-

льності на виробництві.

Запропонований лабораторний практикум ілюструє визнача-

льні положення лекційного курсу "Операційні системи" на при-

кладі 32-розрядної версії операційної системи (ОС) Windows

(Windows NT, 2000, XP, Vista), розробленої корпорацією

Microsoft.

Книга складається з 12 лабораторних робіт, має традиційну

побудову та відображає такі теми, як основи побудови ОС

Windows, керування процесами і потоками, організація пам’яті,

структура файлової системи та безпека. Методичні вказівки міс-

тять багато ілюстрацій та прикладів. Суть лабораторних занять

полягає у розробці невеликих програм, які ілюструють окремі ас-

пекти реалізації ОС Windows, а також у використанні для цих ці-

лей різноманітних інструментальних засобів.

Успішне виконання лабораторних робіт та засвоєння дисцип-

ліни в цілому передбачає попереднє знання архітектури

комп’ютерів та основ програмування алгоритмічними мовами С

та Pascal. Окрім того, досить важливо ознайомитися зі змістом

однієї або кількох монографій з операційних систем, системного

програмування, а також мати довідникову інформацію про АРІ-

функції ОС Windows.

Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності

„Програмне забезпечення автоматизованих систем” напрямку

підготовки „Програмна інженерія”.

Лабораторна робота № 1

Дослідження особливостей функціонування

операційної системи Windows шляхом створення

та аналізу роботи Windows-додатків

Теоретична частина

Історія створення операційної системи Windows

Історію розвитку операційних систем корпорації Microsoft мо-

жна умовно розділити на три етапи:

- MS-DOS і MS-DOS+Windows 3.1;

- так звані споживчі (consumer) версії Windows (Windows

95/98/Me);

- остання лінія операційних систем, що ведуть свій початок від

Windows NT (Windows NT/2000/XP/Vista).

Однозадачна 16-розрядна ОС MS-DOS випущена на початку

80-х років і потім широко застосовувалася на комп’ютерах із

процесором x86. Спочатку MS-DOS була досить примітивна (де-

градація ОС), її оболонка займалася переважно обробкою коман-

дного рядка, але в подальші версії було внесено багато поліп-

шень, запозичених здебільшого з ОС Unix. Потім під впливом

успіхів дружнього графічного інтерфейсу корпорації Macintosh

була розроблена система Windows. Особливо значного поширен-

ня набули версії Windows 3.0, 3.1 і 3.11. Первинно це була не са-

мостійна ОС, а швидше багатозадачна (з невитісняючою багато-

задачністю) графічна оболонка MS-DOS, яка контролювала

комп’ютер і файлову систему.

У 1995 р. була випущена 32-розрядна ОС Windows 95, де була

реалізована витісняюча багатозадачність. ОС Windows 95 вклю-

чала великий об’єм 16-розрядного коду, головним чином для за-

безпечення спадкоємності з додатками MS-DOS. 16-розрядний

код наявний і в подальших версіях цієї серії Windows 98 і

Windows Me. Іншою проблемою даної версії Windows, багато в

чому зумовленою тією ж причиною, була нереєнтерабельність

істотної частини коду ядра. Так, якщо один із потоків був зайня-

тий модифікацією даних в ядрі, інший потік, щоб не одержати ці

дані в суперечливому стані, змушений був чекати, тобто не міг

скористатися системними сервісами. Це часто зводило нанівець

переваги багатозадачності.

ОС Windows NT (New Technology) – нова 32-розрядна ОС, су-

місна з попередніми версіями Windows по інтерфейсу. Роботу над

створенням системи очолив Девід Катлер, один із ключових роз-

робників ОС VAX VMS. Ряд ідей системи VMS наявний у NT

(див. рис. 1.1). Помітна спадкоємність у системі управління вели-

ким адресним простором і резидентною областю процесу, в сис-

темі пріоритетів звичайних процесів і процесів реального часу, в

засобах синхронізації і т.д. Водночас Windows NT – це абсолютно

новий амбітний проект розробки системи з урахуванням новітніх

досягнень у області архітектури мікроядра. Перша версія, названа

Windows NT 3.1 для відповідності популярної Windows 3.1, була

випущена в 1993 р. Комерційного успіху добилася версія

Windows NT 4.0, що запозичила графічний інтерфейс Windows

95. На початку 1999 р. була випущена Windows NT 5.0, перейме-

нована в Windows 2000. Наступна версія цієї ОС даної серії –

Windows XP з’явилася в 2001 р., а Windows Server 2003 – в 2003

р. В даний час випущена Windows Vista, раніше відома під кодо-

вим ім’ям Longhorn, – нова версія Windows, що продовжує лінійку

Windows NT.

Об’єм початкових текстів ядра ОС Windows невідомий. За де-

якими оцінками, об’єм ядра Windows NT 3.5 складає приблизно

10Мб, а з кожною новою версією ОС Windows цей об’єм неухи-

льно збільшується в півтора-два рази.

Можливості операційної системи Windows

Перед розробниками системи було поставлене завдання ство-

рити операційну систему персонального комп’ютера, призначену

для виконання серйозних завдань, а також для домашнього вико-

ристання. Перелік можливостей системи достатньо широкий, ось

лише деякі з них. Операційна система Windows:

- є істинно 32-розрядною, підтримує витісняючу багатозадач-

ність;

- працює на різній апаратній архітектурі і володіє здібністю до

порівняно легкого перенесення на нову апаратну архітектуру;

- підтримує роботу з віртуальною пам’яттю;

Рис. 1.1. Порівняння архітектури ОС Windows і VAX/VMS

- є повністю реєнтерабельною;

- добре масштабується в системах із симетричною мультипро-

цесорною обробкою;

- є розподіленою обчислювальною платформою, здатною

виступати в ролі як клієнта мережі, так і сервера;

- захищена як від внутрішніх збоїв, так і від зовнішніх деструк-

тивних дій. У додатків немає можливості порушити роботу

операційної системи або інших додатків;

- сумісна, тобто її інтерфейс користувача і API сумісні з попере-

дніми версіями Windows і MS-DOS. Вона також уміє

взаємодіяти з іншими системами на зразок UNIX OS/2 і

NetWare;

- володіє високою продуктивністю незалежно від апаратної

платформи;

- забезпечує простоту адаптації до глобального ринку за

рахунок підтримки Unicode;

- підтримує багатопоточність і об’єктну модель.

Загальний опис структури операційної системи Windows

Архітектура ОС Windows зазнала ряд змін у процесі еволюції.

Перші версії системи мали мікроядерний дизайн, заснований на

мікроядрі Mach, яке було розроблене в університеті Карнеги-

Меллона. Архітектура пізніших версій системи мікроядерною вже

не являється.

Причина полягає в поступовому подоланні основного недоліку

мікроядерної архітектури – додаткових накладних витрат,

пов’язаних із передачею повідомлень. На думку фахівців

Microsoft, чисто мікроядерний дизайн комерційно невигідний,

оскільки неефективний. Тому великий об’єм системного коду, в

першу чергу управління системними викликами й екранна графі-

ка, був переміщений з адресного простору користувача в простір

ядра і працює в привілейованому режимі. В результаті в ядрі ОС

Windows переплетені елементи мікроядерної архітектури і елемен-

ти монолітного ядра (комбінована система). Сьогодні мікроядро

ОС Windows дуже велике (більше 1 Мб), щоб носити префікс "мі-

кро". Основні компоненти ядра Windows NT розташовуються в

пам’яті, що витісняється, і взаємодіють один з одним шляхом пе-

редачі повідомлень, як і прийнято в мікроядерних операційних

системах. Водночас всі компоненти ядра працюють в одному ад-

ресному просторі й активно використовують загальні структури

даних, що властиво операційним системам із монолітним ядром.

Висока модульність і гнучкість перших версій Windows NT до-

зволила успішно перенести систему на такі відмінні від Intel пла-

тформи, як Alpha (корпорація DEC), Power PC (IBM) і MIPS

(Silicon Graphic). Пізніші версії обмежуються підтримкою архітек-

тури Intel x86.

Спрощена схема архітектури, зорієнтована на виконання

Win32-додатків, показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Спрощена архітектурна схема ОС Windows

ОС Windows складається з компонентів, що працюють у ре-

жимі ядра, і компонентів, що працюють у режимі користувача.

Незважаючи на міграцію системи у бік монолітного ядра, вона

зберегла деяку структуру. У вищеподаній схемі виразно видимі

кілька функціональних рівнів, кожний з яких користується серві-

сами нижчого рівня.

Завдання рівня абстрагування від устаткування (hardware

abstraction layer, HAL) – приховати апаратні відмінності апарат-

ної архітектури для потенційного перенесення системи з однієї

платформи на іншу. HAL надає вищележачим рівням апаратні

пристрої в абстрактному вигляді, вільному від індивідуальних

особливостей. Це дозволяє ізолювати ядро, драйвери і виконавчу

систему ОС Windows від специфіки устаткування (наприклад, від

відмінностей між материнськими платами).

Ядром звичайно називають всі компоненти ОС, що працюють

у привілейованому режимі роботи процесора або в режимі ядра.

Корпорація Microsoft називає ядром (kernel) компонент, що зна-

ходиться в невивантажуваній пам’яті і містить низькорівневі фу-

нкції операційної системи, такі, як диспетчеризація переривань і

виключень, планування потоків і ін. Воно також надає набір про-

цедур і базових об’єктів, використовуваних компонентами вищих

рівнів.

Ядро і HAL є апаратно-залежними і написані на мовах Сі та

асемблера. Верхні рівні написані на мові Сі і є машинно-

незалежними.

Виконавча система (executive) забезпечує управління

пам’яттю, процесами і потоками, захист, уведення-виведення і

взаємодію між процесами. Драйвери пристроїв містять апаратно-

залежний код і забезпечують трансляцію призначених для корис-

тувача викликів у запити, специфічні для конкретних пристроїв.

Підсистема підтримки вікон і графіки реалізує функції графічного

інтерфейсу користувача (GUI), відоміші як Win32-функції модулів

USER і GDI.

У просторі користувача працюють різноманітні сервіси (ана-

логи демонів в Unix), керовані диспетчером сервісів, що викону-

ють системні завдання. Деякі системні процеси (наприклад, обро-

бка входу в систему) диспетчером сервісів не управляються і на-

зиваються фіксованими процесами підтримки системи. Призна-

чені для користувача додатки (user applications) бувають п’яти

типів: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX і OS/2 1.2. Середо-

вище для виконання процесів користувача надають три підсисте-

ми оточення: Win32, POSIX і OS/2. Таким чином, додатки корис-

тувача не можуть викликати системні виклики ОС Windows без-

посередньо, а змушені звертатися до DLL (динамічно зв’язаних

бібліотек) підсистем.