Версии Windows NT
Windows NT 3.1
Операционная система Windows NT с самого начала проектировалась с учетом всех требований, предъявляемых к современным ОС: расширяемости, переносимости, надежности, совместимости, производительности. Эти свойства были достигнуты за счет применения передовых технологий структурного проектирования, таких, как клиент-сервер, микроядра, объекты.
В отличие от Windows, в которой реализована многозадачность без вытеснения (non-preemptive multitasking), в Windows NT используется механизм многозадачности с вытеснением (preemptive multitasking).
Windows NT поддерживает симметричную многопроцессорную организацию вычислительного процесса, в соответствии с которой ОС может выполняться на любом свободном процессоре или на всех процессорах одновременно, разделяя память между ними. Учитывая, что многозадачность реализуется на уровне нитей, разные части одного и того же процесса могут действительно выполняться параллельно. Следовательно, многонитевые серверы могут обслуживать более одного клиента.
Для управления нитями Windows NT Server использует механизм приоритетов. В определенные моменты производится оценка приоритетов и перераспределение нитей по процессорам, в результате чего последовательные стадии одного потока программы могут выполняться разными процессорами или откладываться до высвобождения очередного процессора.
Windows NT Server поддерживает до 16 параллельных процессоров, что актуально для таких серверов, как Symmetry 750 фирмы Sequent с 16 процессорами Intel 486/50 МГц. Следует, однако, иметь в виду, что реализация СМП в Windows NT Server нацелена на оптимизацию производительности и не обеспечивает резервирования в целях повышения отказоустойчивости. В случае выхода из строя одного из процессоров система останавливается.
В Windows NT Server в полной мере реализован потенциал масштабируемости архитектуры СМП. Однопроцессорную систему можно легко развивать, наращивая число процессоров, без замены версии ОС или приложений.
При управлении устройствами ввода/вывода Windows NT Server использует асинхронный подход.
Для завершения процесса и начала выполнения новой задачи не нужно ждать поступления сигнала об окончании таких операций, как чтение или запись. Каждый процесс создается с использованием одной нити, которая служит специфическим отображением выполнения программы процессором. Впоследствии программа может создавать новые нити, и Windows NT Server будет распределять их и управлять ими, не привлекая к этому приложения высокого уровня.
Для того чтобы прикладная программа могла использовать несколько потоков, не нужно предусматривать этого в ее алгоритме. Отдельный поток создается для каждой операции. Например, в одном потоке программа может воспроизводить сложную графическую форму, а другой использовать для редактирования объемного чертежа. Каждый из этих потоков (или, с точки зрения пользователя, операций) работает на отдельном процессоре, не требуя никаких управляющих вмешательств со стороны приложения. Потоки внутри процесса используют общую область памяти и, следовательно, не должны специально обмениваться данными.
В соответствии с требованием совместимости, Windows NT обеспечивает среду выполнения не только для приложений с исходным программным интерфейсом Win32 API. При выполнении на процессорах фирмы Intel защищенные подсистемы Windows NT обеспечивают двоичную совместимость существующих приложений фирмы Microsoft, включая MS-DOS, Win16, OS/2. На MIPS RISC процессорах двоичная совместимость достигается для приложений MS-DOS и 16-битных Windows-приложений (с использованием эмуляции). Windows NT обеспечивает также совместимость на уровне исходных текстов для POSIX-приложений, которые твердо придерживаются интерфейса, определенного в стандарте IEEE 1003.1.
Помимо совместимости программных интерфейсов, Windows NT поддерживает существующие файловые системы, включая файловую систему MS-DOS (FAT), файловую систему CD-ROM, файловую систему OS/2 (HPFS) и собственную новую файловую систему (NTFS).
В отличие от большинства других операционных систем, Windows NT изначально разрабатывался с учетом возможности работы в сети.
В результате этого функции совместного использования файлов, устройств и объектов встроены в интерфейс с пользователем. Администраторы могут централизованно управлять и контролировать работу сетей в масштабах крупных предприятий. Особенно важно отметить возможность распространения работы приложений типа клиент-сервер на многокомпьютерные системы.
Windows NT 3.5
Версия Windows NT 3.5, как и предыдущая, Windows NT 3.1, разработана в двух конфигурациях: для рабочей станции Windows NT Workstation 3.5 и для сервера - Windows NT Server 3.5. Windows NT 3.5 имеет многочисленные усовершенствования и нововведения по сравнению с Windows NT 3.1: улучшенное автораспознавание аппаратуры, возможность ручного выбора и конфигурирования сетевых адаптеров, если автоматическое распознавание не дает положительного результата.
Встроенная совместимость с NetWare. Возможность выполнения роли шлюза к сетям NetWare, так что Windows NT-компьютеры могут получать доступ к файлам, принтерам и серверам приложений NetWare. В Windows NT, начиная с версии 3.5, входит Microsoft Compatible Workstation Service for NetWare, который позволяет осуществлять доступ к файлам, каталогам и принтерам на сервере Novell NetWare. Транспортный протокол Microsoft NWLink IPX/SPX обеспечивает связь между компьютером с Windows NT и NetWare файл-сервером и сервером печати. Он поддерживает работу с файлами и с очередями печати на NetWare сервере.
Встроенная поддержка TCP/IP. Новая высокопроизводительная Microsoft-реализация протоколов TCP/IP, которая обеспечивает простое, мощное решение для межсетевого взаимодействия. Microsoft поддерживает протокол TCP/IP, начиная с 1991 года, когда был выпущен первый стек для Microsoft LAN Manager 2.1. В Windows NT также имеется поддержка этого протокола, начиная с самой первой версии этой операционной системы. Помимо этого имеются базовые утилиты, такие, как ftp, tftp, telnet, команды r*, arp, route и finger. С выходом версии 3.5 появились новые ключевые свойства, которые, с одной стороны, упростили конфигурирование и обслуживание, а с другой - улучшили свойства TCP/IP.
Значительные улучшения средств удаленного доступа RAS, включающие поддержку IPX/SPX и TCP/IP, использование стандартов Point to Point Protocol (PPP) и Serial Line IP (SLIP). Сервер RAS может теперь поддерживать до 256 соединений (вместо 64 в версии 3.1).
Поддержка длинных имен файлов в файловой системе FAT. Windows NT поддерживает работу с тремя файловыми системами: NTFS, FAT и HPFS. Таким образом, если до установки Windows NT на компьютере были установлены MS-DOS или OS/2, то нет никакой необходимости переформатировать диск. Система преобразует FAT или HPFS в NTFS, сохранив всю информацию на диске. Обратное преобразование невозможно. Здесь уместно заметить, что если вы хотите установить NTFS только затем, чтобы использовать длинные (до 255 символов) имена файлов, то для этих целей прекрасно подойдут и FAT и HPFS. Если для последней это естественное свойство, то возможность использования длинных имен файлов на FAT была введена только в версии Windows NT начиная с 3.5. Вы можете спокойно называть файлы и каталоги именами, выходящими за пределы традиционного для MS-DOS правила "8.3", нисколько не опасаясь, что эти файлы не будут доступны при работе в MS-DOS. Для таких файлов и каталогов будут назначены вторые, "короткие" имена.
Полная поддержка хранения встроенных объектов OLE 2.x и поиска составных документов. Эти возможности включают связывание, встраивание, связывание со встроенными объектами, технологии "drag-and-drop" и OLE-Automation.
В операционную систему Windows NT 3.5 встроены графические возможности трехмерной графики OpenGL API. OpenGL - это независимая от операционной системы промышленно-стандартная библиотека графических функций, разработанная фирмой Silicon Graphics для своих рабочих станций. В настоящее время OpenGL признана Architecture Review Board, включающей такие фирмы, как DEC, IBM, Intel, Microsoft и Silicon Graphics. Технология OpenGL была лицензирована Microsoft для предоставления этого мощного 32-разрядного API пользователям Windows NT.
Развитые функции этой библиотеки требуются в том случае, когда необходима визуализация крупных проектов и данных. Типичные задачи, требующие ее использования - это САПР, системы механического и промышленного дизайна, программы статистического и научного анализа.
Приложения, разработанные для MS Windows 3.x и MS-DOS, выполняются более надежно, так как каждое приложение теперь работает в своем адресном пространстве.
Доменная организация. В сетях на основе Windows NT Server рабочие станции подключаются к выделенным серверам. Именованные собрания серверов могут быть сгруппированы в домены. Такой метод организации сети упрощает централизованное управление сетью и позволяет использовать Windows NT Server в качестве сетевой операционной системы масштаба предприятия. Если администратор однажды завел учетную информацию о пользователе домена, то последний имеет возможность зарегистрироваться с любой рабочей станции в этом домене. Для этого достаточно ввести имя, имя домена и пароль при регистрации, и Windows NT Workstation опознает пользователя и воссоздаст его рабочую среду. В серверных сетях, как правило, все совместно используемые каталоги располагаются на выделенных серверах, а совместно используемые принтеры подключены к специализированным серверам печати. Однако это ни в коей мере не ограничивает возможностей пользователя по предоставлению ресурсов его рабочей станции в совместное использование так, как это обычно делается в одноранговых сетях. Windows NT Server предоставляет возможность пользователям различных доменов совместно использовать ресурсы путем установления доверительных отношений между доменами. Если домен А и домен Б полностью доверяют друг другу, то пользователь домена А может зарегистрироваться в домене Б и осуществлять доступ к ресурсам его сервера. Аналогично пользователь домена Б может использовать ресурсы любого из серверов домена А.
Клиентами в сети с Windows NT Server могут являться компьютеры с различными операционными системами. Стандартно поддерживаются: MS-DOS, OS/2, Windows for Workgroups, клоны UNIX, Macintosh, Windows NT Workstation.
Программное обеспечение возможных клиентов включается в стандартную поставку Windows NT Server.
Microsoft является одним из лидеров в установлении общественных стандартов на socket-интерфейсы для Windows. Windows Sockets является открытой спецификацией, определяющей программный интерфейс Windows к сетевым протоколам. Этот интерфейс также является частью Microsoft Windows Open Services Architecture (WOSA). Он уже знаком сетевым программистам, работающим под UNIX с расширениями на базе Windows, и стал стандартным методом разработчиков, пишущих Windows-приложения для обеспечения удаленного вызова процедур (RPC) не только через TCP/IP, но и через IPX и NetBEUI. В 1993 году Microsoft создал свой Internet FTP сервер, работающий на базе Windows NT Advanced Server. Этот сервер можно найти в Internet как ftp.microsoft.com. В настоящее время в среднем 25 000 пользователей подключаются к этому серверу еженедельно и загружают с него общим числом около 75 000 файлов в неделю.
Взаимодействие с UNIX в Windows NT обеспечивается посредством поддержки общих стандартных сетевых протоколов (включая TCP/IP), стандартных способов распределенной обработки, стандартных файловых систем и совместного использования данных, а также благодаря простоте переноса приложений. Несмотря на то, что система Windows NT была разработана для поддержки работы по схеме клиент-сервер, для совместимости с UNIX-хостами встроена эмуляция терминалов.
SNMP. В Windows NT имеется ряд средств для интеграции в системы, использующие протокол SNMP (Simple Network Management Protocol), что позволяет выполнять удаленное администрирование Windows NT с помощью, например, SUN Net Manager и HP OpenView. Поддержка графических и текстовых терминалов.
В Windows NT входят мощные API гибкой поддержки сред распределенных вычислений:
-
RPC (Remote Procedure Call) - критическая составная часть, необходимая при построении распределенных приложений;
- Windows Sockets - API, совместимый с сокетами типа Berkeley, популярным в UNIX механизмом распределенных вычислений;
- WOSA (Windows Open Services Architecture) - этот набор API позволяет объединять системы Windows с широким рядом приложений-поставщиков данных, выпускаемых самыми разными производителями.
Для работы с Windows NT Workstation (Server) 3.5 требуется:
- компьютер с процессорами i386, i486 или Pentium с тактовой частотой от 33 Мгц и оперативной памятью от 12 (16) Мб; либо с процессором DEC Alpha и оперативной памятью от 16 (24) Мб; либо с MIPS-процессором; либо компьютер с несколькими процессорами;
- не менее 70 (90) Мб свободного пространства на жестком диске;
- желательно иметь устройство чтения компакт дисков с интерфейсом SCSI (CD-ROM) и мышь;
- при работе в сети, требуется наличие 16- или 32-разрядной сетевой карты Ethernet или Token Ring;
Дополнительно могут быть установлены звуковая карта, накопители на магнитных лентах, принтеры, графопостроители, модемы и другие периферийные устройства.
Полный список техники, прошедшей тестирование на совместимость с Windows NT, прилагается к системе.
Windows NT 4.0
При разработке Windows NT 4.0 Microsoft решила пожертвовать стабильностью ради производительности. С этой целью были внесены изменения в архитектуру: библиотеки менеджера окон и GDI, а также драйверы графических адаптеров были перенесены из пользовательского режима в режим ядра. Это изменение означает некоторый отход от принятой в предыдущих версиях Windows NT 3.х концепции микроядра.
Перенос графической библиотеки и драйверов в область ядра повышает скорость выполнения графического ввода-вывода. Эти изменения особенно сказались на скорости выполнения приложений Win32, в то время как приложения Windows-16 и графические приложения MS DOS работают примерно так же, как и в версии 3.5.
В то же время описанные изменения делают операционную систему в принципе менее надежной. Действительно, поскольку программное обеспечение графических адаптеров, как правило, разрабатывается фирмами-производителями этого оборудования и это программное обеспечение часто меняется (вместе с оборудованием), то от него трудно ожидать той надежности, которая требуется для модулей операционной системы.
Кроме архитектурных, в Windows NT 4.0 имеются и другие, не менее кардинальные изменения:
- средства взаимодействия с NetWare модифицированы - Gateway и клиент NCP поддерживают теперь NDS;
- в стандартную поставку включен Internet Information Server и сервер DNS (Domain Name Server). DNS взаимодействует с WINS и DHCP-серверами. Эта комбинация реализует Dynamic DNS, который разрешает верхние уровни доменного имени и передает имя для окончательного разрешения службе WINS;
- поддержка многопротокольной маршрутизации;
- сервер может работать как транслирующий агент протокола BOOTP/DHCP , что позволяет компьютеру передавать сообщения BOOTP/DHCP по IP-сети;
- новые административные средства Windows NT могут работать удаленно на клиентах Windows 95. Кроме того, Windows NT Server обеспечивает сервис удаленной загрузки для клиентов Windows 95. (Это полезно для бездисковых рабочих станций);
- интерфейс в стиле Windows 95;
- подсистема обработки сообщений Microsoft Windows Messaging Subsystem позволяет получать и отправлять почту из приложений;
- в Windows NT 4.0 появился эмулятор процессоров Intel для RISC-платформ.
Microsoft добавила в Windows NT 4.0 много технических средств, чтобы сделать эту операционную систему пригодной для использования в качестве платформы для Web-сервера.
Одно из усовершенствований связано с тем, что повышающаяся роль Internet и клиент-серверных систем ведет к росту числа мобильных пользователей. Microsoft в связи с этим улучшила RAS (улучшила поддержку ISDN) и предоставила средства безопасной работы с RAS через Internet. В RAS реализованы протоколы PPTP (создает зашифрованный трафик через Internet) и Multilink PPP (позволяет объединять несколько каналов в один).
Клиентами могут быть Windows NT 4.0 Workstation или Windows 95. Важным аргументом в борьбе за Internet является включение в стандартную поставку Windows NT 4.0 Web-сервера производства Microsoft - Internet Information Server, возможности которого сравнимы, а по ряду тестов и превосходят аналогичный популярный продукт Server Netscape для NT.
14.2. Структура: NT executive и защищенные подсистемы
При разработке структуры Windows NT была в значительной степени использована концепция микроядра. В соответствии с этой идеей ОС разделена на несколько подсистем, каждая из которых выполняет отдельный набор сервисных функций. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме, выполняя цикл проверки запроса от клиента на одну из его сервисных функций. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (или микроядро), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, затем сервер выполняет операцию, после этого ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения.
Структурно Windows NT может быть представлена в виде двух частей: часть операционной системы, работающая в режиме пользователя, и часть операционной системы, работающая в режиме ядра (рис.14.1).
Рис. 14.1.. Структура Windows NT
Часть Windows NT, работающая в режиме ядра, называется executive - исполнительной частью. Она включает ряд компонент, которые управляют виртуальной памятью, объектами (ресурсами), вводом-выводом и файловой системой (включая сетевые драйверы), взаимодействием процессов и частично системой безопасности. Эти компоненты взаимодействуют между собой с помощью межмодульной связи. Каждая компонента вызывает другие с помощью набора тщательно специфицированных внутренних процедур.
Вторую часть Windows NT, работающую в режиме пользователя, составляют серверы. Серверы Windows NT называются защищенными подсистемами, так как каждый из них выполняется в отдельном процессе, память которого отделена от других процессов системой управления виртуальной памятью NT executive.
Так как подсистемы автоматически не могут совместно использовать память, они общаются друг с другом посредством посылки сообщений. Сообщения могут передаваться как между клиентом и сервером, так и между двумя серверами. Все сообщения проходят через исполнительную часть Windows NT. Ядро Windows NT планирует нити защищенных подсистем точно так же, как и нити обычных прикладных процессов.
Поддержку защищенных подсистем обеспечивает исполнительная часть Windows NT - executive, которая работает в пространстве ядра и никогда не сбрасывается на диск. Ее составными частями являются:
1. Менеджер объектов. Он создает, удаляет и управляет объектами NT executive - абстрактными типами данных, используемых для представления ресурсов системы.
2. Монитор безопасности, который. устанавливает правила защиты на локальном компьютере, охраняет ресурсы операционной системы, выполняет защиту и регистрацию исполняемых объектов.
3. Менеджер процессов. Создает и завершает, приостанавливает и возобновляет процессы и нити, а также хранит о них информацию.
4. Менеджер виртуальной памяти.
5. Подсистема ввода-вывода. Включает в себя следующие компоненты: менеджер ввода-вывода, предоставляющий средства ввода-вывода, независимые от устройств; файловые системы - NT-драйверы, выполняющие файл-ориентированные запросы ввода-вывода и транслирующие их в вызовы обычных устройств; сетевой редиректор и сетевой сервер - драйверы файловых систем, передающие удаленные запросы на ввод-вывод на машины сети и получающие запросы от них; драйверы устройств NT executive - низкоуровневые драйверы, которые непосредственно управляют устройством; менеджер кэша, осуществляющего кэширование диска.
Исполнительная часть, в свою очередь, основывается на службах нижнего уровня, предоставляемых ядром (его можно назвать и микроядром) NT. В функции ядра входит:
· планирование процессов;
· обработка прерываний и исключительных ситуаций;
· синхронизация процессоров для многопроцессорных систем;
· восстановление системы после сбоев.
Ядро работает в привилегированном режиме и никогда не удаляется из памяти. Обратиться к ядру можно только посредством прерывания. Ядро расположено над уровнем аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Level - HAL), который концентрирует в одном месте большую часть машинно-зависимых процедур. HAL располагается между NT executive и аппаратным обеспечением и скрывает от системы такие детали, как контроллеры прерываний, интерфейсы ввода/вывода и механизмы взаимодействия между процессорами. Такое решение позволяет легко переносить Windows NT с одной платформы на другую путем замены только слоя HAL.
При создании NT разработчики руководствовались задачами улучшения производительности и сетевых возможностей, а также требованием поддержки определенного набора прикладных сред. Эта цель была достигнута продуманным разделением функций между модулями ядра и остальными модулями. Например, передача данных в файловую систему и по сети производится быстрее в пространстве ядра, поэтому внутри ядра NT выделены буфера для небольших по объему (от 16 до 32 Кб) операций чтения и записи, являющихся типичными для приложений клиент-сервер и распределенных приложений. Размещение этих функций ввода-вывода внутри ядра, может, и нарушает академическую чистоту микроядра NT, но соответствует цели создания NT.
Защищенные подсистемы Windows NT работают в пользовательском режиме и создаются Windows NT во время загрузки операционной системы. Сразу после создания они начинают бесконечный цикл своего выполнения, отвечая на сообщения, поступающие к ним от прикладных процессов и других подсистем. Среди защищенных подсистем можно выделить подкласс, называемый подсистемами окружения. Подсистемы окружения реализуют интерфейсы приложений операционной системы (API).
Другие типы подсистем, называемые интегральными подсистемами, исполняют необходимые операционной системе задачи. Например, большая часть системы безопасности Windows NT реализована в виде интегральной подсистемы, сетевые серверы также выполнены как интегральные подсистемы.
Наиболее важной подсистемой окружения является Win32 - подсистема, которая обеспечивает доступ для приложений к 32-bit Windows API. Дополнительно эта система обеспечивает графический интерфейс с пользователем и управляет вводом/выводом данных пользователя. Также поддерживаются подсистемы POSIX, OS/2,16-разрядная Windows и MS-DOS.
Каждая защищенная подсистема работает в режиме пользователя, вызывая системный сервис NT executive для выполнения привилегированных действий в режиме ядра. Сетевые серверы могут выполняться как в режиме пользователя, так и в режиме ядра, в зависимости от того, как они разработаны.
Подсистемы связываются между собой путем передачи сообщений. Когда, например, пользовательское приложение вызывает какую-нибудь API-процедуру, подсистема окружения, обеспечивающая эту процедуру, получает сообщение и выполняет ее либо обращаясь к ядру, либо посылая сообщение другой подсистеме. После завершения процедуры подсистема окружения посылает приложению сообщение, содержащее возвращаемое значение. Посылка сообщений и другая деятельность защищенных подсистем невидимы для пользователя.
Основным средством, скрепляющим все подсистемы Windows NT в единое целое, является механизм вызова локальных процедур (Local Procedure Call - LPC). LPC представляет собой оптимизированный вариант более общего средства - удаленного вызова процедур (RPC), которое используется для связи клиентов и серверов, расположенных на разных машинах сети.
Средства LPC поддерживают несколько способов передачи данных между клиентами и серверами: Один обычно используется для передачи коротких сообщений, другой - для длинных сообщений, а третий оптимизирован специально для использования подсистемой Win32. Каждая подсистема устанавливает порт - канал связи, посредством которого с ней могут связываться другие процессы.
Порты реализуются как объекты.
Windows NT использует защищенные подсистемы для того, чтобы:
· обеспечить несколько программных интерфейсов (API), по возможности не усложняя при этом базовый программный код (NT executive);
· изолировать базовую операционную систему от изменений или расширений в поддерживаемых API;
· объединить часть глобальных данных, требующихся всем API, и в то же время отделить данные, использующиеся каждым отдельным API от данных, использующихся другими API;
· защитить окружение каждого API от приложений, а также от окружений других API, и защитить базовую операционную систему от различных окружений;
· позволить операционной системе расширяться в будущем за счет новых API.
Таким образом, реализация частей ОС в виде серверов, выполняющихся в режиме пользователя, является важнейшей частью проекта Windows NT и оказывает глубокое воздействие на все функционирование системы.
Концентрация машинно-зависимых программ внутри микроядра делает перенос NT на разнообразные процессоры относительно легким. Но в то время, как некоторые микроядра (Mach и Chorus) предполагается поставлять в качестве самостоятельного программного продукта, из операционной системы Windows NT ядро вряд ли может быть вычленено для отдельного использования. Это является одной из причин того, что некоторые специалисты не считают Windows NT истинно микроядерной ОС в том смысле, в котором таковыми являются Mach и Chorus. Те же критики отмечают также, что NT не исключает, как это положено, все надстроенные службы из пространства ядра и что драйверы устройств в NT по минимуму взаимодействуют с ядром, предпочитая работать непосредственно с лежащим ниже слоем аппаратной абстракции HAL.
Множественные прикладные среды
При разработке NT важнейшим рыночным требованием являлось обеспечение поддержки по крайней мере двух уже существующих программных интерфейсов OS/2 и POSIX, а также возможности добавления других API в будущем.
Заметим, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Кроме этого необходимо обеспечить ей "родное" окружение: структуру процесса, средства управления памятью, средства обработки ошибок и исключительных ситуаций, механизмы защиты ресурсов и семантику файлового доступа. Отсюда ясно, что поддержка нескольких прикладных программных сред является очень сложной задачей, тесно связанной со структурой операционной системы. Эта задача была успешно решена в Windows NT, при этом в полной мере был использован опыт разработчиков ОС Mach из университета Карнеги-Меллона, которые смогли в своей клиент-серверной реализации UNIX'а отделить базовые механизмы операционной системы от серверов API различных ОС.
Windows NT поддерживает пять прикладных сред операционных систем: MS-DOS, 16-разрядный Windows, OS/2 1.x, POSIX и 32-разрядный Windows (Win32). Все пять прикладных сред реализованы как подсистемы окружения. Каждая работает в собственном защищенном пользовательском пространстве. Подсистема Win32 обеспечивает поддержку дисплея, клавиатуры и мыши для четырех оставшихся подсистем.
16-битовые приложения DOS и Windows работают на VDM (Virtual DOS Machines - виртуальные машины DOS), каждая из которых эмулирует полный 80x86 процессор с MS-DOS. В NT VDM является приложением Win32, значит, как и обычные модули прикладных сред для UNIX, приложения DOS и 16-битовой Windows расположены в слое непосредственно над подсистемой Win32.
Подсистемы OS/2 и POSIX построены по-другому. В качестве полноценных подсистем NT они могут взаимодействовать с подсистемой Win32 для получения доступа к вводу и выводу, но также могут обращаться непосредственно к исполнительной системе NT за другими средствами операционной системы. Подсистема OS/2 может выполнять многие имеющиеся приложения OS/2 символьного режима, включая OS/2 SQL Server, и поддерживает именованные каналы и NetBIOS.
Однако возможности подсистемы POSIX весьма ограничены, несмотря на непосредственный доступ ее к службам ядра.
Приложения POSIX должны быть откомпилированы специально для Windows NT. Windows NT не поддерживает двоичный код, предназначенный для других POSIX-совместимых систем, таких, как UNIX. К тому же подсистема POSIX NT не поддерживает непосредственно печать, не поддерживает сетевой доступ, за исключением доступа к удаленным файловым системам, и не поддерживает многие средства Win32, например, отображение на память файлов и графику. На рис.14.2 показана структура, обеспечивающая в Windows NT поддержку множественных прикладных сред.
Рис. 14.2. Реализация множественных прикладных сред в Windows NT
NT executive выполняет базовые функции операционной системы и является той основой, на которой подсистемы окружения реализуют поддержку своих приложений. Все подсистемы равноправны и могут вызвать "родные" функции NT для создания соответствующей среды для своих приложений.
Каждая подсистема окружения имеет свое представление о том, что такое, например, процесс или описатель файла, поэтому структуры данных, используемые в каждом окружении, могут не совпадать. Следовательно, как только подсистема Win32 передала прикладной процесс другой подсистеме окружения, данное приложение становится клиентом этой подсистемы вплоть до завершения процесса. При этом подсистема Win32 перенаправляет входные сообщения от пользователя этому приложению, а также отображает вывод приложения на экране.
Объектно-ориентированный подход
Хотя NT и не является полностью объектно-ориентированной, в ее основе лежат объекты. Единообразная форма именования, совместного использования и учета системных ресурсов, простой и дешевый способ обеспечения безопасности системы и ее модификации - все эти преимущества могут быть достигнуты при использовании объектной модели.
В Windows NT любой ресурс системы, который одновременно может быть использован более чем одним процессом, включая файлы, совместно используемую память и физические устройства, реализован в виде объекта и управляется рядом функций. Такой подход сокращает число изменений, которые необходимо внести в операционную систему в процессе ее эксплуатации.
Если, скажем, изменилось что-то в аппаратуре, то все, что необходимо сделать - заменить соответствующий объект. Аналогично, если требуется поддержка новых ресурсов, то надо добавить только новый объект, не изменяя при этом остального кода операционной системы.
Наиболее фундаментальное отличие между объектом и обыкновенной структурой данных заключается в том, что внутренняя структура данных объекта скрыта от наблюдения. Вы должны вызвать объектную функцию для того, чтобы получить данные из объекта или поместить данные в объект. Вы не можете непосредственно изменять данные, находящиеся внутри объекта. Это отделяет средства реализации объекта от кода, который только использует его, такая техника позволяет легко изменять в последствии реализацию объектов.
Группа разработчиков NT executive решила использовать объекты для представления системных ресурсов, потому что объекты обеспечивают централизованные средства для выполнения трех важных (и часто утомительных) задач ОС:
· поддержки пользовательских имен системных ресурсов;
· разделения ресурсов и данных между процессами;
· защиты ресурсов от несанкционированного доступа.
Не все структуры данных в NT executive являются объектами. Объектами являются только такие данные, которые нужно разделять, защищать, именовать или делать видимыми для программ пользовательского режима (с помощью системных функций). Структуры, которые используются только одним компонентом executive для выполнения внутренних функций, не являются объектами.
Несмотря на всестороннее использование объектов для представления разделяемых ресурсов, Windows NT не является объектно-ориентированной системой в строгом смысле. Большая часть кода операционной системы написана на С с целью обеспечения переносимости. Несмотря на то, что С не поддерживает непосредственно объектно-ориентированные конструкции, такие, как динамическое связывание типов данных, полиморфные функции или наследование классов, эти инструментальные средства были использованы из-за их широкой распространенности.
Менеджер объектов - это компонент NT executive, который отвечает за создание, удаление, защиту и слежение за NT-объектами. Менеджер объектов централизует операции управления ресурсами, которые в противном случае будут разбросаны по всей ОС.
Менеджер объектов NT выполняет следующие функции:
· выделяет память для объекта;
· присоединяет к объекту так называемый дескриптор безопасности, который определяет, кому разрешено использовать объект, и что они могут с ним делать;
· создает и манипулирует структурой каталога объектов, в котором хранятся имена объектов;
· создает описатель объекта и возвращает его вызывающему процессу.
Процессы пользовательского режима, включая подсистемы окружения, должны иметь описатель объекта перед тем, как их нити смогут использовать этот объект. Использование описателей для работы с системными ресурсами не является новой идеей. Например, библиотек и С и Паскаля (а также других языков) возвращают описатели для открытых файлов. Аналогично приложениям Win32 используют различные типы описателей для управления окнами, курсором мыши, иконками. В обоих случаях описатели служат косвенными указателями на системные ресурсы; эта косвенность предохраняет прикладные программы от рутинной работы непосредственно с системными структурами данных.
Каждый NT-объект является объектом определенного типа. Тип определяет данные, которые хранит объект, и "родные" системные функции, которые могут к нему применяться. Для того чтобы управлять различными объектами единообразно, менеджер объектов требует, чтобы каждый объект содержал несколько полей стандартной информации в определенном месте объекта. До тех пор, пока эти данные имеются, менеджер объектов не заботится о том, что еще хранится в объекте. Каждый объект состоит из двух частей - заголовка объекта и тела объекта, которые содержат стандартные и переменные данные объекта соответственно.
Менеджер объектов работает с заголовком объекта, а другие компоненты executive работают с телами объектов тех типов, которые они сами создают. Заголовок объекта используется менеджером без учета типа объекта. В заголовке объекта любого типа содержится имя, каталог, дескриптор безопасности, квоты на использование ресурсов, счетчик открытых описателей, база данных открытых описателей, признак постоянный/временный, режим пользователя/ядра, указатель на тип объекта.
Кроме заголовка объекта, каждый объект имеет тело объекта, формат и содержание которого уникально определяется типом этого объекта; у всех объектов одного и того же типа одинаковый формат тела. При создании объекта исполнительная часть может оперировать данными в телах всех объектов этого типа.
Процессы и нити
В разных ОС процессы реализуются по-разному. Эти различия заключаются в том, какими структурами данных представлены процессы, как они именуются, какими способами защищены друг от друга и какие отношения существуют между ними. Процессы Windows NT имеют следующие характерные свойства:
· процессы Windows NT реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов;
· процесс Windows NT имеет многонитевую организацию;
· как объекты-процессы, так и объекты-нити имеют встроенные средства синхронизации;
· менеджер процессов Windows NT не поддерживает между процессами отношений типа "родитель-потомок".
В любой системе понятие "процесс" включает следующее:
· исполняемый код;
· собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс;
· ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой;
· хотя бы одну выполняемую нить.
Адресное пространство каждого процесса защищено от вмешательства в него любого другого процесса. Это обеспечивается механизмами виртуальной памяти. Операционная система, конечно, тоже защищена от прикладных процессов. Чтобы выполнить какую-либо процедуру ОС или прочитать что-либо из ее области памяти, нить должна выполняться в режиме ядра. Пользовательские процессы получают доступ к функциям ядра посредством системных вызовов. В пользовательском режиме выполняются не только прикладные программы, но и защищенные подсистемы Windows NT.
В Windows NT процесс - это просто объект, создаваемый и уничтожаемый менеджером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, который создает и инициализирует менеджер объектов. Менеджер процессов определяет атрибуты, хранимые в теле объекта-процесса, а также обеспечивает системный сервис, который восстанавливает и изменяет эти атрибуты.
В число атрибутов тела объекта-процесса входят:
· идентификатор процесса - уникальное значение, которое идентифицирует процесс в рамках операционной системы;
· маркер доступа - исполняемый объект, содержащий информацию о безопасности;
· базовый приоритет - основа для исполнительного приоритета нитей процесса;
· процессорная совместимость - набор процессоров, на которых могут выполняться нити процесса;
· предельные значения квот - максимальное количество страничной и нестраничной системной памяти, дискового пространства, предназначенного для выгрузки страниц, процессорного времени - которые могут быть использованы процессами пользователя;
· время исполнения - общее количество времени, в течение которого выполняются все нити процесса.
Напомним, что нить является выполняемой единицей, которая располагается в адресном пространстве процесса и использует ресурсы, выделенные процессу.
Подобно процессу нить в Windows NT реализована в форме объекта и управляется менеджером объектов.
Объект-нить имеет следующие атрибуты:
· идентификатор клиента - уникальное значение, которое идентифицирует нить при ее обращении к серверу;
· контекст нити - информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванной нити. Контекст нити содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти, которая используется подсистемами и библиотеками;
· динамический приоритет - значение приоритета нити в данный момент;
· базовый приоритет - нижний предел динамического приоритета нити;
· процессорная совместимость нитей - перечень типов процессоров, на которых может выполняться нить;
· время выполнения нити - суммарное время выполнения нити в пользовательском режиме и в режиме ядра, накопленное за период существования нити;
· cостояние предупреждения - флаг, который показывает, что нить должна выполнять вызов асинхронной процедуры;
· счетчик приостановок - текущее количество приостановок выполнения нити.
Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты.
Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.
Алгоритм планирования процессов и нитей
В Windows NT реализована вытесняющая многозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом.
При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время. В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может иметь одно из шести состояний (рис.14.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния:
Рис. 14.3. Граф состояний нити
· готовности.
При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора;
· первоочередной готовности (standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити;
· выполнения. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания.
· ожидания. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности.
· переходного состояния. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты.
Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности.
· завершения. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает , когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова.
Диспетчер ядра использует для определения порядка выполнения нитей алгоритм, основанный на приоритетах, в соответствии с которым каждой нити присваивается число - приоритет, и нити с более высоким приоритетом выполняются раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь, процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема той или иной прикладной среды. Значение базового приоритета присваивается процессу системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться.
Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных на два класса - класс реального времени и класс переменных приоритетов. Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.
Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15.
Этот класс имеет название " переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.
Алгоритм планирования нитей в Windows NT объединяет в себе обе базовых концепции - квантование и приоритеты. Как и во всех других алгоритмах, основанных на квантовании, каждой нити назначается квант, в течение которого она может выполняться. Нить освобождает процессор, если:
· блокируется, уходя в состояние ожидания;
· завершается;
· исчерпан квант;
· в очереди готовых появляется более приоритетная нить.
Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.
Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.
В многопроцессорных системах при диспетчеризации и планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити “процессорная совместимость" не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить.
