Марк Руссинович - 1.Внутреннее устройство Windows (гл. 1-4)

• Функция требует одного или более вызовов исполнительной системы Windows. Например, Windows-функции ReadFile и WriteFile обращаются к внутренним недокументированным сервисам ввода-вывода — соответственно к NtReadFile и NtWriteFile.

• Функция требует выполнения каких-либо операций в процессе подсистемы окружения (такие процессы, работающие в пользовательском режиме, отвечают за обслуживание клиентских приложений, выполняемых под их контролем). B этом случае подсистеме окружения выдается клиент-серверный запрос через сообщение с требованием выполнить какую-либо операцию, и DLL подсистемы, прежде чем вернуть управление вызвавшей программе, ждет соответствующего ответа.

Некоторые функции вроде CreateProcess и CreateThread могут требовать выполнения как второго, так и третьего пункта.

Хотя структура Windows позволяет поддерживать несколько независимых подсистем окружения, с практической точки зрения было бы неудобно включать в состав каждой подсистемы свой код для обработки окон и отображения ввода-вывода. Это привело бы к дублированию системных функций и в конечном счете негативно отразилось бы на объеме и производительности системы. Поскольку главной подсистемой была Windows, разработчики решили разместить эти базовые функции именно в ней. Так что другие подсистемы для отображения ввода-вывода вызывают соответствующие сервисы Windows. (Кстати, посмотрев на тип подсистемы в заголовках их файлов, вы убедитесь, что фактически они являются исполняемыми файлами Windows.)

Теперь поближе познакомимся с каждой подсистемой окружения.

Эта подсистема состоит из следующих основных элементов.

• Процесса подсистемы окружения (Csrss.exe), предоставляющего:

• поддержку консольных (текстовых) окон;

• поддержку создания и удаления процессов и потоков;

• частичную поддержку процессов 16-разрядной виртуальной DOS-машины (VDM);

• множество других функций, например GetTempFile, DefineDosDevice, ExitWindowsEx, а также несколько функций поддержки естественных языков.

• Драйвера режима ядра (Win32k.sys), включающего:

• диспетчер окон, который управляет отрисовкой и выводом окон на экран, принимает ввод с клавиатуры, мыши и других устройств, а также передает пользовательские сообщения приложениям;

• Graphics Device Interface (GDI), который представляет собой библиотеку функций для устройств графического вывода. B GDI входят функции для манипуляций с графикой и отрисовки линий, текста и фигур.

• DLL-модулей подсистем (Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll и Gdi32.dll), транслирующих вызовы документированных функций Windows API в вызовы соответствующих (и в большинстве своем недокументированных) сервисов режима ядра из Ntoskrnl.exe и Win32k.sys.

• Драйверов графических устройств, представляющих собой специфичные для конкретного оборудования драйверы графического дисплея, принтера и минипорт-драйверы видеоплат.

Для формирования элементов управления пользовательского интерфейса на экране, например окон и кнопок, приложения могут вызывать стандартные функции USER. Диспетчер окон передает эти вызовы GDI, а тот — драйверам графических устройств, где они форматируются для дисплея. Драйвер дисплея работает в паре с соответствующим минипорт-драйвером видеоплаты, обеспечивая полную поддержку видео.

GDI предоставляет набор стандартных функций двухмерной графики, которые позволяют приложениям, не имеющим представления о графических устройствах, обращаться к ним. GDI-функции играют роль посредника между приложениями и драйверами дисплея и принтера. GDI интерпретирует запросы приложений на вывод графики и посылает соответствующие запросы драйверам. Он также предоставляет приложениям стандартный унифицированный интерфейс для использования самых разнообразных устройств графического вывода. Этот интерфейс обеспечивает независимость кода приложений от конкретного оборудования и его драйверов. GDI выдает свои запросы с учетом возможностей конкретного устройства, часто разделяя запрос на несколько частей для обработки. Так, некоторые устройства сами умеют формировать эллипсы, а другие требуют от GDI интерпретировать эллипсы как набор пикселов с определенными координатами. Подробнее об архитектуре подсистемы вывода графики и драйвере дисплея см. раздел «Design Guide» в книге «Graphics Drivers» из Windows DDK.

До Windows NT 4 диспетчер окон и графические сервисы были частью процесса подсистемы Windows пользовательского режима. B Windows NT 4 основная часть кода, ответственного за обработку окон и графики, перенесена из контекста процесса подсистемы Windows в набор вызываемых сервисов, выполняемых в режиме ядра (в файл Win32k.sys). Этот перенос был осуществлен в основном для повышения общей производительности системы. Отдельный серверный процесс, содержащий графическую подсистему, требовал многочисленных переключений контекста потоков и процессов, что отнимало большое количество тактов процессора и значительные ресурсы памяти, даже несмотря на высокую оптимизацию исходной архитектуры этой подсистемы.

Например, каждый клиентский поток обслуживается парным серверным потоком в процессе подсистемы Windows, ожидающем запросов от клиентского потока. Для передачи сообщений между потоками используется специальный механизм взаимодействия между процессами, так называемый быстрый LPC (fast LPC). B отличие от обычного переключения контекста потоков передача данных между парными потоками через быстрый LPC не вызывает в ядре события перепланирования, что позволяет серверному потоку выполняться в течение оставшегося кванта времени клиентского потока (вне очереди, определенной планировщиком). Более того, для быстрой передачи больших структур данных, например битовых карт, используются разделяемые буферы памяти, и клиенты получают прямой доступ (только для чтения) к ключевым структурам данных сервера, а это сводит к минимуму необходимость в частом переключении контекста между клиентами и сервером Windows.

GDI-операции выполняются в пакетном режиме. При этом серия графических объектов, запрошенных Windows-приложениями, не обрабатывается сервером и не прорисовывается на устройстве вывода до тех пор, пока не будет заполнена вся очередь GDI. Размер очереди можно установить через Windows-функцию GdiSetBatchLimit. B любой момент все объекты из очереди можно сбросить вызовом функции GdiFlush. C другой стороны, неизменяемые свойства и структуры данных GDI после получения от процессов подсистемы Windows кэшируются клиентскими процессами для ускорения последующего доступа к ним.

Однако, несмотря на такую оптимизацию, общая производительность системы по-прежнему не соответствовала требованиям приложений, интенсивно работающих с графикой. Очевидным решением проблемы стал перевод подсистемы поддержки окон и графики в режим ядра, что позволило избежать потребности в дополнительных потоках и связанных с ними переключениями контекста. Кроме того, как только приложения вызывают диспетчер окон и GDI, эти подсистемы теперь получают прямой доступ к компонентам исполнительной системы Windows без перехода из пользовательского режима в режим ядра и обратно. Прямой доступ особенно важен в случае вызова GDI через видеодрайверы, когда взаимодействие с видеооборудованием требует высокой пропускной способности.

Так что же остается в той части процесса подсистемы Windows, которая работает в пользовательском режиме? Поскольку консольные программы не перерисовывают окна, все операции по отрисовке и обновлению консольных и текстовых окон проводятся именно этой частью Windows. Увидеть ее деятельность несложно: просто откройте окно командной строки и перетащите поверх него другое окно. Вы увидите, что процесс подсистемы Windows начинает расходовать процессорное время, перерисовывая консольное окно. Кроме поддержки консольных окон, только небольшая часть Windows-функций посылает сообщения процессу подсистемы Windows. K ним относятся функции, отвечающие за создание и завершение процессов и потоков, назначение букв сетевым дискам, создание временных файлов. Как правило, Windows-приложение нечасто переключает (если вообще переключает) контекст в процесс подсистемы Windows.

Некоторые интересуются, не повлияет ли на стабильность системы перевод такой значительной части кода в режим ядра. Ho риск снижения стабильности системы минимален. Дело в том, что до Windows NT 4 (равно как и в настоящее время) ошибка вроде нарушения доступа (access violation) в процессе подсистемы Windows пользовательского режима (Csrss.exe) приводила к краху системы, потому что процесс подсистемы Windows был и остается жизненно важным для функционирования всей системы. Поскольку структуры данных, определяющие окна на экране, содержатся именно в этом процессе, его гибель приводит к уничтожению пользовательского интерфейса. Однако даже при функционировании Windows в качестве сервера без интерактивных процессов система не могла бы работать без Csrss, поскольку серверные процессы иногда используют оконные сообщения для контроля внутреннего состояния приложений. Так что в Windows ошибки вроде нарушения доступа в том же коде, только выполняемом в режиме ядра, просто быстрее приводят к краху — исключения в режиме ядра требуют прекращения работы системы.