Операционные системы

2. 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 ограничена, несмотря на непосредственный доступ ее к службам ядра. Приложения POSIX должны быть откомпилированы специально для Windows NT. 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.

Рис. 8.2. Реализация множественных прикладных сред в Windows NT

На рисунке 8.2 показана структура, обеспечивающая в Windows NT поддержку множественных прикладных сред.

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.

3. 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:

• Поддержка воспринимаемых человеком имен системных ресурсов;
• Разделение ресурсов и данных между процессами;
• Защита ресурсов от несанкционированного доступа.

Не все структуры  данных в NT executive являются объектами. Объектами  сделаны 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-ориенти-  
рованные 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 компонента NT executive, которая  ответственна 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, библиотеки С и Паскаля (а также других языков) возвращают описатели для открытых файлов. Аналогично приложения 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.

4. 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.
• Токен 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 тела:

• 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.
• Состояние предупреждения - флаг, который показывает, что нить должна выполнять вызов асинхронной процедуры.
• Счетчик приостановок - текущее количество приостановок выполнения нити.