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

Хотя у потоков свой контекст выполнения, каждый поток внутри одного процесса делит его виртуальное адресное пространство (а также остальные ресурсы, принадлежащие процессу). Это означает, что все потоки в процессе могут записывать и считывать содержимое памяти любого из потоков данного процесса. Однако потоки не могут случайно сослаться на адресное пространство другого процесса. Исключение возможно в ситуации, когда тот предоставляет часть своего адресного пространства как раздел общей памяти (shared memory section), в Windows API называемый объектом «проекция файла» (file mapping object), или когда один из процессов имеет право на открытие другого процесса и использует функции доступа к памяти между процессами, например ReadProcessMemory и WriteProcessMemory.

Кроме закрытого адресного пространства и одного или нескольких потоков у каждого процесса имеются идентификация защиты и список открытых описателей таких объектов, как файлы и разделы общей памяти, или синхронизирующих объектов вроде мьютексов, событий и семафоров (рис. 1–2).

Каждый процесс обладает контекстом защиты, который хранится в объекте — маркере доступа. Маркер доступа содержит идентификацию защиты и определяет полномочия данного процесса. По умолчанию у потока нет собственного маркера доступа, но он может получить его, и это позволит ему подменять контекст защиты другого процесса (в том числе выполняемого на удаленной системе Windows). Подробнее на эту тему см. главу 8.

Дескрипторы виртуальных адресов (virtual address descriptors, VAD) — это структуры данных, используемые диспетчером памяти для учета виртуальных адресов, задействованных процессом (см. главу 7).

Windows предоставляет расширение для модели процессов — задания (jobs). Они предназначены в основном для того, чтобы группами процессов можно было оперировать и управлять как единым целым. Объект-задание позволяет устанавливать определенные атрибуты и накладывать ограничения на процесс или процессы, сопоставленные с заданием. B этом объекте также хранится информация обо всех процессах, которые были сопоставлены с заданием, но к настоящему времени уже завершены. B каких-то отношениях объект-задание компенсирует отсутствие иерархического дерева процессов в Windows, а в каких-то — даже превосходит по своим возможностям дерево процессов UNIX.

Более детальное описание внутренней структуры заданий, процессов и потоков, механизмов создания потоков и процессов, а также алгоритмов планирования потоков вы найдете в главе 6.

B Windows реализована система виртуальной памяти, основанная на плоском (линейном) адресном пространстве. Она создает каждому процессу иллюзию того, что у него есть собственное большое и закрытое адресное пространство. Виртуальная память дает логическое представление, не обязательно соответствующее структуре физической памяти. B период выполнения диспетчер памяти, используя аппаратную поддержку, транслирует, или проецирует (maps), виртуальные адреса на физические, по которым реально хранятся данные. Управляя проецированием и защитой страниц памяти, операционная система гарантирует, что ни один процесс не помешает другому и не сможет повредить данные самой операционной системы. Ha рис. 1–3 показано, как три смежные страницы виртуальной памяти проецируются на три разрозненные страницы физической памяти.

Поскольку у большинства компьютеров объем физической памяти намного меньше общего объема виртуальной памяти, задействованной выполняемыми процессами, диспетчер памяти перемещает, или подкачивает (pages), часть содержимого памяти на диск. Подкачка данных на диск освобождает физическую память для других процессов или самой операционной системы. Когда поток обращается к странице виртуальной памяти, сброшенной на диск, диспетчер виртуальной памяти загружает эту информацию с диска обратно в память. Для использования преимуществ подкачки в приложениях никакого дополнительного кода не требуется, так как диспетчер памяти опирается на аппаратную поддержку этого механизма.

Размер виртуального адресного пространства зависит от конкретной аппаратной платформы. Ha 32-разрядных х86-системах теоретический максимум для общего виртуального адресного пространства составляет 4 Гб. По умолчанию Windows выделяет нижнюю половину этого пространства (в диапазоне адресов от x00000000 до x7FFFFFFF) процессам, а вторую половину (в диапазоне адресов от x80000000 до xFFFFFFFF) использует в собственных целях. Windows 2000 Advanced Server, Windows 2000 Datacenter Server, Windows XP (SP2 и выше) и Windows Server 2003 поддерживают загрузочные параметры /3GB и /USERVA, которые указываются в файле Boot.ini (см. главу 5), что позволяет процессам, выполняющим программы со специальным флагом в заголовке исполняемого образа, использовать до 3 Гб закрытого адресного пространства и оставляет операционной системе только 1 Гб. Этот вариант дает возможность приложению вроде сервера базы данных хранить в адресном пространстве своего процесса большие порции базы данных и тем самым уменьшить частоту проецирования отдельных представлений этой базы. Две структуры виртуальных адресных пространств, поддерживаемые 32-разрядной Windows, показаны на рис. 1–4.

Хотя три гигабайта лучше двух, этого все равно недостаточно для проецирования очень больших баз данных. B связи с этим в 32-разрядных Windows появился механизм Address Windowing Extension (AWE), который позволяет 32-разрядному приложению выделять до 64 Гб физической памяти, а затем проецировать представления (views), или окна (windows), на свое 2-гигабайтное виртуальное адресное пространство. Применение AWE усложняет управление проекциями виртуальной памяти на физическую, но снимает проблему прямого доступа к объему физической памяти, превышающему лимиты 32-разрядного адресного пространства процесса.

64-разрядная Windows предоставляет процессам гораздо большее адресное пространство: 7152 Гб на Itanium-системах и 8192 Гб на х64-системах. Ha рис. 1–5 показана упрощенная схема структур 64-разрядных адресных пространств (детали см. в главе 7). Заметьте, что эти размеры отражают не архитектурные лимиты для данных платформ, а ограничения реализации в текущих версиях 64-разрядной Windows.

Подробнее о реализации диспетчера памяти, в том числе о трансляции адресов и управлении физической памятью в Windows, см. главу 7.

Для предотвращения доступа приложений к критически важным данным операционной системы и устранения риска их модификации Windows использует два режима доступа к процессору (даже если он поддерживает более двух режимов): пользовательский (user mode) и ядра (kernel mode). Код приложений работает в пользовательском режиме, тогда как код операционной системы (например, системные сервисы и драйверы устройств) — в режиме ядра. B режиме ядра предоставляется доступ ко всей системной памяти и разрешается выполнять любые машинные команды процессора. Предоставляя операционной системе более высокий уровень привилегий, чем прикладным программам, процессор позволяет разработчикам операционных систем реализовать такие архитектуры, которые не дают возможности сбойным приложениям нарушать стабильность работы всей системы.

ПРИМЕЧАНИЕ B архитектуре процессора Intel x86 определено четыре уровня привилегий, или колец (rings), предназначенных для защиты кода и данных системы от случайной или умышленной перезаписи кодом с меньшим уровнем привилегий. Windows использует уровень привилегий 0 (или кольцо 0) для режима ядра и уровень привилегий 3 (или кольцо 3) для пользовательского режима. Почему Windows использует только два уровня? Дело в том, что на некоторых из ранее поддерживавшихся аппаратных платформ (например, Compaq Alpha и Silicon Graphics MIPS) реализовано лишь два уровня привилегий.

Хотя каждый Windows-процесс имеет свою (закрытую) память, код операционной системы и драйверы устройств, работающие в режиме ядра, делят единое виртуальное адресное пространство. Каждая страница в виртуальной памяти помечается тэгом, определяющим, в каком режиме должен работать процессор для чтения и/или записи данной страницы. Страницы в системном пространстве доступны лишь в режиме ядра, а все страницы в пользовательском адресном пространстве — в пользовательском режиме. Страницы только для чтения (например, содержащие лишь исполняемый код) ни в каком режиме для записи недоступны.

Windows не предусматривает никакой защиты системной памяти от компонентов, работающих в режиме ядра. Иначе говоря, код операционной системы и драйверов устройств в режиме ядра получает полный доступ к системной памяти и может обходить средства защиты Windows для обращения к любым объектам. Поскольку основная часть кода Windows выполняется в режиме ядра, крайне важно, чтобы компоненты, работающие в этом режиме, были тщательно продуманы и протестированы.