Взаимодействие между приложением и операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов (системных сервисов в терминологии Microsoft). Однако приложение не может вызвать системный вызов напрямую (более того, системные вызовы не документированы). Вместо этого приложение должно воспользоваться программным интерфейсом ОС - Win32 API.Win32 API (Application Programming Interface) - основной интерфейс программирования в семействе операционных систем Microsoft Windows. Функции Win32 API , например,CreateProcess илиCreateFile , - документированные, вызываемые подпрограммы, реализуемые Win32 подсистемой.В состав Win32 подсистемы (см.рис. 1.4 ) входят: cерверный процесс подсистемы окружения csrss.exe, драйвер режима ядра Win32k.sys, dll - модули подсистем (kernel32.dll, advapi32.dll, user32.dll и gdi32.dll), экспортирующие Win32-функции и драйверы графических устройств. В процессе эволюции структура подсистемы претерпела изменения. Например, функции окон и рисования с целью повышения производительности были перенесены из серверного процесса, работающего в режиме пользователя, в драйвер режима ядра Win32k.sys. Однако это и подобные изменения никак не отразились на работоспособности приложений, поскольку существующие вызовы Win32 API не изменяются с новыми выпусками системы Windows, хотя их состав постоянно пополняется. Приложение, ориентированное на использование Win32 API, может работать практически на всех версиях Windows, несмотря на то, что сами системные вызовы в различных системах различны (см.рис. 1.5 ). Таким путем корпорация Microsoft обеспечивает преемственность своих операционных систем.

Рис. 1.5. Поддержка единого программного интерфейса для различных версий Windows

При запуске процесса все требуемые динамические библиотеки отображаются на его виртуальное адресное пространство, а для быстрого вызова библиотечной процедуры используется специальный вектор передачи.

Рис. 1.6. Различные маршруты выполнения вызовов Win32 API.

При вызове приложением одной из Win32-функций dll-подсистем может возникнуть одна из трех ситуаций (см. рис. 1.6 ).

Функция полностью выполняется внутри данной dll (шаг 1).

Для выполнения функции привлекается сервер csrss, для чего ему посылается сообщение (шаг 2a, за которым обычно следуют шаги 2b и 2c).

Данный вызов транслируется в системный сервис (системный вызов), который обычно обрабатывается в модуле ntdll.dll (шаги 3a и 3b). Например, Win32-функция ReadFileвыполняется с помощью недокументированного сервисаNtReadFile .Некоторые функции (например,CreateProcess) требуют выполнения обоих последних пунктов.В первых версиях ОС Windows практически все вызовы Win32 API выполнялись, следуя маршруту 2 (2a, 2b, 2c). После того, как существенная часть кода системы для увеличения производительности была перенесена в ядро (начиная с Windows NT 4.0), вызовы Win32 API, как правило, идут напрямую по 3-му (3a, 3b) пути, минуя подсистему окружения Win32. В настоящее время лишь небольшое число вызовов выполняется по длинному 2-му маршруту.Помимо перечисленных, наиболее важных dll-библиотек, в системном каталогеsystem32имеется большое количество других dll-файлов. В настоящее время количество вызовов API составляет несколько десятков тысяч. Список экспортируемых каждой конкретной dll функций можно посмотреть с помощью утилитыdepends , входящей в пакет Platform SDK. Так, нарис. 1.7 приведена информация о структуре библиотеки kernel32.dll ОС Windows XP, экспортирующей 949 функций.

Рис. 1.7. Окно утилиты depends.exe

DLL (динамически подключаемая библиотека)

Набор вызываемых подпрограмм, включенных в один двоичный файл, который приложения, использующие эти подпрограммы, могут динамически загружать в процессе своего выполнения. В качестве примера можно привести модули Msvcrt.dll (библиотека исполняющей Си подсистемы) и Kernel32.dll (одна из библиотек подсистемы Win32). DLL активно используются компонентами и приложениями ОС Windows пользовательского режима. Преимущество DLL перед статическими библиотеками состоит в том, что приложения могут разделять DLL-модули, при этом ОС Windows гарантирует, что в памяти будет находиться лишь по одному экземпляру используемых DLL.

Процессы и потоки

Под процессом понимается контейнер ресурсов, используемыхпотоками . Процесс включает: закрытое адресное пространство, в котором располагаются код, данные и стеки потоков; список открытых описателей ресурсов; контекст защиты; идентификатор процесса.Поток команд исполняемой программы, или простопоток - сущность внутри процесса, получающая процессорное время. Поток характеризуется набором регистров (состоянием), идентификатором потока, стеками режимов ядра и пользователя.

Основные компоненты ядра Windows NT . Подсистемы Win 32, POSIX , OS /2. Библиотека NTdll . dll .

Основные компоненты ядра Windows NT . Подсистемы Win 32, POSIX , OS /2. Библиотека NTdll . dll .

В режиме ядра выполняются следующие компоненты ОС:

исполняемая часть NT , которая включает управление памятью, процессами, потоками, безопасностью, вводом/выводом, межпроцессорными обменами;

ядро Windows NT выполняет низкоуровневые функции операционной системы: диспетчеризация потоков, прерываний и исключений, синхронизация процессоров. Ядро также включает набор процедур и базовых объектов, используемый исполняемой частью для создания высокоуровневых конструкций;

слой абстракции от оборудования (HAL - Hardware Abstraction Layer ), изолирует ядро, драйверы устройств и исполняемую часть NT от аппаратных платформ, на которых должна работать операционная система;

драйверы устройств включают как файловую систему, так и аппаратные драйверы, которые транслируют пользовательские вызовы функций ввода/вывода в запросы физических устройств ввода/вывода;

функции графического интерфейса пользователя работают с окнами, элементами управления и рисунками.

Подсистемы среды и библиотеки DLL

Как видно из рис. 1, Windows NT имеет три подсистемы среды (Win32, Posix и OS/2 2.1), которые работают только на платформе х86. Подсистема Win32 специфична для Windows NT и не может работать вне ее.

Каждая из подсистем обеспечивает пользовательским приложениям доступ к разным поднаборам служб Windows NT. Это означает, что некоторые вещи могут быть сделаны из приложения, построенного на одной подсистеме, и не возможны из приложения, построенного в другой подсистеме. Так, приложение для Win32 не может использовать функцию fork подсистемы Posix.

Каждый исполняемый модуль связывается с одной и только одной подсистемой. Когда начинается выполнение модуля, изучается тип кода его заголовка, что позволяет определить подсистему среды для создания новых процессов.

Пользовательские процессы не вызывают службы NT напрямую, а используют библиотеки динамических связей (DLL) соответствующей подсистемы среды. Роль библиотек, принадлежащих подсистеме среды, в том, чтобы транслировать документированные функции среды в соответствующие вызовы недокументированных служб NT. Эти библиотеки DLL экспортируют документированный интерфейс, который могут вызывать связанные с подсистемой программы. Например, библиотеки DLL подсистемы Win32 используют функции Win32 API. Библиотека DLL подсистемы Posix использует функции Posix 1003.1 API.

Подсистема Win32. Главные компоненты подсистемы Win32 - процесс подсистемы среды и драйвер режима ядра. Процесс подсистемы среды поддерживает:

консольные (текстовые) окна;

создание и удаление процессов и потоков;

работу виртуальной 16-разрядной DOS машины;

иные функции (GetTempFile, DefineDosDevice, ExitWindowsEx и др.).

Драйвер режима ядра поддерживает:

менеджер окон, который управляет отображением окон, выводом на экран, вводом с клавиатуры, от мыши и других устройств, а также передачей пользовательских сообщений приложениям;

интерфейс графических устройств GDI (Graphical Device Interface), библиотека функций для вывода на графические устройства, для рисования текста, линий, фигур и манипуляций графическими объектами;

зависимые от устройств драйверы графики, принтера и видеопорта;

несколько библиотек DLL, которые транслируют документированные функции Win32 API в соответствующие недокументированные вызовы NTOSKRNL.EXE и WIN32K.SYS.

Приложения вызывают стандартные функции для создания окон и кнопок на дисплее. Менеджер окон передает эти запросы драйверам графических устройств через интерфейс графических устройств GDI, где они форматируются для вывода средствами конкретных устройств. GDI обеспечивает набор стандартных функций, позволяющих приложениям общаться с графическими устройствами, включая дисплеи и принтеры, без конкретных знаний о них. GDI интерпретирует запросы приложений на графический вывод и посылает их драйверам графических дисплеев. Этот интерфейс позволяет создавать код приложения, независимый от конкретных устройств и их драйверов.

NTDLL.DLL - это специальная система поддержки DLL - библиотек. Она содержит два типа функций.

Первая группа функций обеспечивает интерфейс к службам NT, которые могут быть вызваны из пользовательского режима. Существует более 200 таких функций, например NtCreateFile, NtSetEvent и т.д. Для каждой из них имеется точка входа в NTDLL.DLL с тем же именем. Внутренний код функции содержит специфичные для архитектуры команды, которые вызывают переход в режим ядра для обращения к реальным службам NT, код которых содержится в NTOSKRNL.EXE.

Вторая группа функций содержит большое количество функций поддержки: загрузчик исполняемых модулей, коммуникационные функции для процессов подсистемы Win32, библиотека функций реального времени пользовательского режима, диспетчер вызовов асинхронных процедур АРС (Asynchronous Procedure Call) пользовательского режима, диспетчер исключений.

___________________________________________________

Компоненты ядра

Компоненты пользовательского режима

Подсистема пользовательского интерфейса в Windows NT реализует оконный интерфейс, подобный интерфейсу предыдущих версий Windows. Двумя типами объектов этой подсистемы, отсутствовавшими в 16-битных версиях Windows и в Windows 9x, являются оконные станции и рабочие столы. Оконная станция соответствует одному сеансу пользователя Windows NT - например, при подключении через службу удалённого рабочего стола создаётся новая оконная станция. Каждый запущенный процесс принадлежит к одной из оконных станций; службы, кроме помеченных как способные взаимодействовать с рабочим столом, запускаются в отдельных, невидимых оконных станциях.

Каждая оконная станция имеет собственный буфер обмена, набор глобальных атомов (используемых для операций DDE), и набор рабочих столов. Рабочий стол является контекстом всех глобальных операций подсистемы пользовательского интерфейса, таких как установка хуков и широковещательная рассылка сообщений. Каждый запущенный поток принадлежит к одному из рабочих столов - тому, где расположены обслуживаемые им окна; в частности, один поток не может создать несколько окон, принадлежащих к различным рабочим столам. Один из рабочих столов может быть активным (видимым пользователю и способным реагировать на его действия), остальные рабочие столы спрятаны. Возможность создать для одного сеанса работы несколько рабочих столов и переключаться между ними до настоящего времени не предоставлялась стандартными средствами пользовательского интерфейса Windows, хотя существуют сторонние программы, дающие доступ к этой функциональности.

Оконными станциями и рабочими столами исчерпываются объекты подсистемы пользовательского интерфейса Windows NT, которым могут быть назначены права доступа. Оставшиеся типы объектов - окна и меню - предоставляют полный доступ любому процессу, который находится с ними в одной оконной станции. Поэтому службы Windows NT по умолчанию запускаются в отдельных оконных станциях: они работают с повышенными привилегиями, и возможность процессов пользователя неограниченно манипулировать окнами служб могла бы привести к сбоям и/или проблемам безопасности.

Программные интерфейсы

Для прикладных программ системой Windows NT предоставляется несколько наборов API. Самый основной из них - так называемый «родной» API (NT Native API), реализованный в динамически подключаемой библиотеке ntdll и состоящий из двух частей: системные вызовы ядра NT (функции с префиксами Nt и Zw, передающие выполнение функциям ядра ntoskrnl с теми же названиями) и функции, реализованные в пользовательском режиме (с префиксом Rtl). Часть функций второй группы используют внутри себя системные вызовы; остальные целиком состоят из непривилегированного кода, и могут вызываться не только из кода пользовательского режима, но и из драйверов. Кроме функций Native API, в ntdll также включены функции стандартной библиотеки языка Си.

Официальная документация на Native API весьма скудна, но сообществам энтузиастов удалось методом проб и ошибок собрать достаточно обширные сведения об этом интерфейсе. В частности, в феврале 2000 г. опубликована книга Гэри Неббета «Справочник по базовым функциям API Windows NT/2000» (ISBN 1-57870-199-6); в 2002 г. она была переведена на русский язык (ISBN 5-8459-0238-X). Источником информации о Native API может служить Windows DDK, где описаны некоторые функции ядра, доступные посредством Native API, а также изучение кода Windows (обратный инжиниринг) - посредством дизассемблирования, либо используя исходные тексты Windows 2000, ставшие доступными в результате утечки, либо используя исходные тексты Windows 2003, доступные в рамках программы Windows Research Kernel.

Программы, выполняющиеся до загрузки подсистем, обеспечивающих работу остальных API ОС Windows NT, ограничены использованием Native API. Например, программа autochk, проверяющая диски при загрузке ОС после некорректного завершения работы, использует только Native API.

Чаще всего прикладными программами для Windows NT используется Win32 API - интерфейс, созданный на основе API ОС Windows 3.1, и позволяющий перекомпилировать существующие программы для 16-битных версий Windows с минимальными изменениями исходного кода. Совместимость Win32 API и 16-битного Windows API настолько велика, что 32-битные и 16-битные приложения могут свободно обмениваться сообщениями, работать с окнами друг друга и т. д. Кроме поддержки функций существовавшего Windows API, в Win32 API был также добавлен ряд новых возможностей, в т.ч. поддержка консольных программ, многопоточности, и объектов синхронизации, таких как мутексы и семафоры. Документация на Win32 API входит в состав Microsoft Platform SDK (англ.) и доступна на веб-сайте http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/

Библиотеки поддержки Win32 API в основном названы так же, как системные библиотеки Windows 3.x, с добавлением суффикса 32: это библиотеки kernel32, advapi32, gdi32, user32, comctl32, comdlg32, shell32 и ряд других. Функции Win32 API могут либо самостоятельно реализовывать требуемую функциональность в пользовательском режиме, либо вызывать описанные выше функции Native API, либо обращаться к подсистеме csrss посредством механизма LPC (англ.), либо осуществлять системный вызов в библиотеку win32k, реализующую необходимую для Win32 API поддержку в режиме ядра. Четыре перечисленных варианта могут также комбинироваться в любом сочетании: например, функция Win32 API WriteFile обращается к функции Native API NtWriteFile для записи в дисковый файл, и вызывает соответствующую функцию csrss для вывода в консоль.

Поддержка Win32 API включена в семейство ОС Windows 9x; кроме того, она может быть добавлена в Windows 3.1x установкой пакета Win32s. Для облегчения переноса существующих Windows-приложений, использующих для представления строк MBCS-кодировки, все функции Win32 API, принимающие параметрами строки, были созданы в двух версиях: функции с суффиксом A (ANSI) принимают MBCS-строки, а функции с суффиксом W (wide) принимают строки в кодировке Unicode. В Win32s и Windows 9x поддерживаются только A-функции, тогда как в Windows NT, где все строки внутри ОС хранятся исключительно в Юникоде, каждая A-фунция просто преобразует свои строковые параметры в Юникод и вызывает W-версию той же функции. Когда имя функции в исходном тексте программы указано без суффикса, использование A- либо W-версии этой функции определяется опциями компиляции. При этом важно отметить, что большинство новых функций, появившихся в Windows 2000 или более поздних ОС семейства Windows NT, существуют только в Unicode-версии, потому что задача обеспечения совместимости со старыми программами и с ОС Windows 9x уже не стоит так остро, как раньше.

Подсистема окружения POSIX поддерживает приложения написанные в соответствии со стандартом POSIX.1. В отличие от большинства «свободных» Unix-подобных ОС, Windows NT сертифицирована институтом NIST на совместимость со стандартом POSIX.1, и даже с более строгим стандартом FIPS 151-2. Библиотекой psxdll экспортируются стандартные функции POSIX, а также некоторые функции Native API, не имеющие аналогов в POSIX - например, для работы с кучей, со структурными исключениями, с кодировкой Unicode. Внутри этих функций используются как Native API, так и LPC-вызовы в подсистему psxss, являющуюся обычным Win32-процессом. Для загрузки этой подсистемы и выполнения POSIX-программы используется консольная программа-оболочка posix.Поддержка POSIX, включённая в Windows NT, не содержит расширений для работы с графикой или многопоточными приложениями.

Для выполнения 16-битных программ, написанных для OS/2 1.x, в состав Windows NT включены две системных библиотеки OS/2 (doscalls и netapi) и консольная программа-эмулятор os2, которая загружает и использует посредством LPC-вызовов подсистемы os2srv и os2ss. Остальные системные библиотеки OS/2, кроме двух названных (kbdcalls, mailslot, moncalls, nampipes, quecalls, viocalls и ещё десяток), не хранятся как отдельные файлы, а эмулируются.Программы, написанные для OS/2 2.0 и выше, а также оконные программы и программы, напрямую работающие с устройствами компьютера, в том числе драйвера, системой Windows NT не поддерживаются.

Обе эти подсистемы, необязательные для работы большинства приложений, были удалены в Windows XP и последующих выпусках Windows. При помощи манипуляций с реестром их можно было отключить и в предыдущих версиях Windows NT, что рекомендовалось специалистами по компьютерной безопасности в целях сокращения поверхности атаки компьютерной системы.

Ядро и модуль поддержки оборудования. Драйверы устройств, типы. Усовершенствования в драйверах устройств в Windows NT 2000.

Ядро Windows NT представляет собой следующий уровень после уровня аппаратных абстракций, который обеспечивает работу выполняемого модуля Windows NT и других подсистем. Ядро системы выполняет следующие основные функции:

помощь в синхронизации данных;

планирование выполнения потоков и процессов;

управление прерываниями и исключениями;

восстановление системы после аварийных ситуаций, например после отказа питания.

Данные ядра всегда находятся в оперативной памяти и никогда не выгружаются на диск, как это происходит с пользовательскими приложениями. Данные ядра не могут быть вытеснены другими данными. Это значит, что выполнение кода ядра не может быть прервано ради другого кода, если только ядро не выполняет это самостоятельно.

Ядро представляет собой объектно-ориентированную систему, в которой используется два класса объектов. 1. Объекты-диспетчеры, которые позволяют управлять потоками и процессами и применяются для синхронизации различных потоков/процессов. В число объектов-диспетчеров входят мьютекс-флаги (mutex - это сокращение от "mutual exclusion", т.е. взаимное исключение), семафоры (semaphore) и таймеры (timer). Мьютекс-флаги являются объектами синхронизации и используются для синхронизации данных между двумя компонентами. 2. Объекты управления, например асинхронные вызовы процедур (asynchronous procedure calls - АРС) и процедуры обслуживания прерываний (interrupt service routines - ISR).

Драйверы устройств – модули в режиме ядра, которые могут подгружаться во время работы ОС.

Дра́йвер (англ.driver , мн. ч.дра́йверы ) -компьютерная программа, с помощью которой другие программы (операционная система) получают доступ каппаратному обеспечениюнекоторого устройства. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать.

Операционная система управляет некоторым «виртуальным устройством», которое понимает стандартный набор команд. Драйвер переводит эти команды в команды, которые понимает непосредственно устройство. Эта идеология называется «абстрагирование от аппаратного обеспечения».

Задача образуют интерфейс между устройством и диспетчером ввода/вывода. Драйвер может выполняться в режиме ядра в одном из контекстов

1). В контексте пользовательского потока, инициировавшего процедуру ввода/вывода.

2). В контексте системного потока режима ядра.

3). Реализуется как результат прерывания.

Типы драйверов устройств

1). Драйверы аппаратных устройств, которые управляют устройствами оборудования через HAL(другие шины, интерфейсы и т.д.).

2). Драйверы файловой системы – принимают запросы ввода/вывода от пользовательских приложений и транслировать их к виду, в котором их воспримет конкретное устройство.

3). Драйвер фильтров файловой системы – обеспечивают зеркалирование, объединение устройств, шифрование устройств, т.е. нужный драйвер загружается в нужный момент в нужной последовательности(плюс скорость и безопасность).

4). Драйвер протоколов – реализует сетевые протоколы.

5). Драйверы потоковых фильтров ядра – действуют по цепочке для обработки потоковых данных(запись, воспроизведение видео).

Существует 3 типа драйверов

1). Драйвер шин – задача обслужить контроллер шины, адаптерный мост или другие устройства, имеющие дочерние устройства.

2). Функциональный драйвер оснащает другие устройства, предоставляющие его функциональный интерфейс.

3). Драйвер фильтра – фильтрация информации, дополнять функциональные устройства дополнительными, фильтрация информации, передаваемой между устройствами, увеличивает функциональность драйверов устройств.

Планирование потоков. Сценарии планирования. Кванты.

Планирование процессов и потоков

Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины,является подсистема управления процессами и потоками, которая занимается их созданием и уничтожением, поддерживает взаимодействие между ними, а также распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами и потоками.

Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное пользование или в совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые - динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, то возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например при обмене данными. Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта «гонок» (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок или других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов. Синхронизация потоков является одной из важных функций подсистемы управления процессами и потоками.

Каждый раз, когда процесс завершается, ОС предпринимает шаги, чтобы «зачистить следы» его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Алгоритмы планирования, основанные на квантовании

В основе многих вытесняющих алгоритмов планирования лежит концепция квантования. В соответствии с этой концепцией каждому потоку поочередно для выполнения предоставляется ограниченный непрерывный период процессорного времени - квант. Смена активного потока происходит, если:

поток завершился и покинул систему;

произошла ошибка;

поток перешел в состояние ожидания;

исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному потоку.

Поток, который исчерпал свой квант, переводится в состояние готовности и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый поток из очереди готовых. Граф состояний потока, изображенный на рис. 4.6, соответствует алгоритму планирования, основанному на квантовании.

Рис. 4.6. Граф состояний потока в системе с квантованием

Кванты, выделяемые потокам, могут быть одинаковыми для всех потоков или различными. Рассмотрим, например, случай, когда всем потокам предоставляются кванты одинаковой длины q (рис. 4.7). Если в системе имеется п потоков, то время, которое поток проводит в ожидании следующего кванта, можно грубо оценить как q(n-l). Чем больше потоков в системе, тем больше время ожидания, тем меньше возможности вести одновременную интерактивную работу нескольким пользователям. Но если величина кванта выбрана очень небольшой, то значение произведения q(n-l) все равно будет достаточно мало для того, чтобы пользователь не ощущал дискомфорта от присутствия в системе других пользователей. Типичное значение кванта в системах разделения времени составляет десятки миллисекунд.

Рис. 4.7. Иллюстрация расчета времени ожидания в очереди

Если квант короткий, то суммарное время, которое проводит поток в ожидании процессора, прямо пропорционально времени, требуемому для его выполнения (то есть времени, которое потребовалось бы для выполнения этого потока при монопольном использовании вычислительной системы). Действительно, поскольку время ожидания между двумя циклами выполнения равно q(n-l), а количество циклов B/q, где В - требуемое время выполнения, то W*B(n-l). Заметим, что эти соотношения представляют собой весьма грубые оценки, основанные на предположении, что В значительно превышает q. При этом не учитывается, что потоки могут использовать кванты не полностью, что часть времени они могут тратить на ввод-вывод, что количество потоков в системе может динамически меняться и т. д.

Чем больше квант, тем выше вероятность того, что потоки завершатся в результате первого же цикла выполнения, и тем менее явной становится зависимость времени ожидания потоков от их времени выполнения. При достаточно большом кванте алгоритм квантования вырождается в алгоритм последовательной обработки, присущий однопрограммным системам, при котором время ожидания задачи в очереди вообще никак не зависит от ее длительности.

Кванты, выделяемые одному потоку, могут быть фиксированной величины, а могут и изменяться в разные периоды жизни потока. Пусть, например, первоначально каждому потоку назначается достаточно большой квант, а величина каждого следующего кванта уменьшается до некоторой заранее заданной величины. В таком случае преимущество получают короткие задачи, которые успевают выполняться в течение первого кванта, а длительные вычисления будут проводиться в фоновом режиме. Можно представить себе алгоритм планирования, в котором каждый следующий квант, выделяемый определенному потоку, больше предыдущего. Такой подход позволяет уменьшить накладные расходы на переключение задач в том случае, когда сразу несколько задач выполняют длительные вычисления.

Потоки получают для выполнения квант времени, но некоторые из них используют его не полностью, например из-за необходимости выполнить ввод или вывод данных. В результате возникает ситуация, когда потоки с интенсивными обращениями к вводу-выводу используют только небольшую часть выделенного им процессорного времени. Алгоритм планирования может исправить эту «несправедливость». В качестве компенсации за неиспользованные полностью кванты потоки получают привилегии при последующем обслуживании. Для этого планировщик создает две очереди готовых потоков (рис. 4.8). Очередь 1 образована потоками, которые пришли в состояние готовности в результате исчерпания кванта времени, а очередь 2 - потоками, у которых завершилась операция ввода-вывода. При выборе потока для выполнения прежде всего просматривается вторая очередь, и только если она пуста, квант выделяется потоку из первой очереди.

Многозадачные ОС теряют некоторое количество процессорного времени для выполнения вспомогательных работ во время переключения контекстов задач. При этом запоминаются и восстанавливаются регистры, флаги и указатели стека, а также проверяется статус задач для передачи управления. Затраты на эти вспомогательные действия не зависят от величины кванта времени, поэтому чем больше квант, тем меньше суммарные накладные расходы, связанные с переключением потоков.

Рис. 4.8. Квантование с предпочтением потоков, интенсивно обращающихся к вводу-выводу

ПРИМЕЧАНИЕ

В алгоритмах, основанных на квантовании, какую бы цель они не преследовали (предпочтение коротких или длинных задач, компенсация недоиспользованного кванта или минимизация накладных расходов, связанных с переключениями), не используется никакой предварительной информации о задачах. При поступлении задачи на обработку ОС не имеет никаких сведений о том, является ли она короткой или длинной, насколько интенсивными будут ее запросы к устройствам ввода-вывода, насколько важно ее быстрое выполнение и т. д.

Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования

С самых общих позиций все множество алгоритмов планирования можно разделить на два класса: вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования.

Невытесняющие (non-preemptive) алгоритмы основаны на том, что активному потоку позволяется выполняться, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению поток.

Вытесняющие (preemptive) алгоритмы - это такие способы планирования потоков, в которых решение о переключении процессора с выполнения одного потока на выполнение другого потока принимается операционной системой, а не активной задачей.

5. Состояния потока. Уровни приоритета.

Состояния потока

ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание их состояние. В мультипрограммной системе поток может находиться в одном из трех основных состояний:

выполнение - активное состояние потока, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ожидание - пассивное состояние потока, находясь в котором, поток заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события, например завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого потока или освобождения какого-либо необходимого ему ресурса);

готовность - также пассивное состояние потока, но в этом случае поток заблокирован в связи с внешним по отношению к нему обстоятельством (имеет все требуемые для него ресурсы, готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого потока).

ПРИМЕЧАНИЕ

Состояния выполнения и ожидания могут быть отнесены и к задачам, выполняющимся в однопрограммном режиме, а вот состояние готовности характерно только для режима мультипрограммирования.

В течение своей жизни каждый поток переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования потоков, принятым в данной операционной системе.

Рассмотрим типичный граф состояния потока (рис. 4.3). Только что созданный поток находится в состоянии готовности, он готов к выполнению и. стоит в очереди к процессору. Когда в результате планирования подсистема управления потоками принимает решение об активизации данного потока, он переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ожидания какого-нибудь события, либо будет принудительно «вытеснен» из процессора, например вследствие исчерпания отведенного данному потоку кванта процессорного времени. В последнем случае поток возвращается в состояние готовности. В это же состояние поток переходит из состояния ожидания, после того как ожидаемое событие произойдет.

Рис. 4.3. Граф состояний потока в многозадачной среде

В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока, а в каждом из состояний ожидания и готовности - несколько потоков. Эти потоки образуют очереди соответственно ожидающих и готовых потоков. Очереди потоков организуются путем объединения в списки описателей отдельных потоков. Таким образом, каждый описатель потока, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой описатель, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать потоки, переводить потоки из одного состояния в другое. Если предположить, что на рис. 4.4 показана очередь готовых потоков, то запланированный порядок выполнения выглядит так: А, В, Е, D, С.

Рис. 4.4. Очередь потоков

Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах

Другой важной концепцией, лежащей в основе многих вытесняющих алгоритмов планирования, является приоритетное обслуживание. Приоритетное обслуживание предполагает наличие у потоков некоторой изначально известной характеристики - приоритета, на основании которой определяется порядок их выполнения. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности потока при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии, тем меньше времени будет проводить поток в очередях.

Приоритет может выражаться целым или дробным, положительным или отрицательным значением. В некоторых ОС принято, что приоритет потока тем выше, чем больше (в арифметическом смысле) число, обозначающее приоритет. В других системах, наоборот, чем меньше число, тем выше приоритет.

В большинстве операционных систем, поддерживающих потоки, приоритет потока непосредственно связан с приоритетом процесса, в рамках которого выполняется данный поток. Приоритет процесса назначается операционной системой при его создании. Значение приоритета включается в описатель процесса и используется при назначении приоритета потокам этого процесса. При назначении приоритета вновь созданному процессу ОС учитывает, является этот процесс системным или прикладным, каков статус пользователя, запустившего процесс, было ли явное указание пользователя на присвоение процессу определенного уровня приоритета. Поток может быть инициирован не только по команде пользователя, но и в результате выполнения системного вызова другим потоком. В этом случае при назначении приоритета новому потоку ОС должна принимать во внимание значение параметров системного вызова.

Во многих ОС предусматривается возможность изменения приоритетов в течение жизни потока. Изменение приоритета могут происходить по инициативе самого потока, когда он обращается с соответствующим вызовом к операционной системе, или по инициативе пользователя, когда он выполняет соответствующую команду. Кроме того, ОС сама может изменять приоритеты потоков в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. В последнем случае приоритеты называются динамическими в отличие от неизменяемых, фиксированных, приоритетов.

От того, какие приоритеты назначены потокам, существенно зависит эффективность работы всей вычислительной системы. В современных ОС во избежание разбалансировки системы, которая может возникнуть при неправильном назначении приоритетов, возможности пользователей влиять на приоритеты процессов и потоков стараются ограничивать. При этом обычные пользователи, как правило, не имеют права повышать приоритеты своим потокам, это разрешено делать (да и то в определенных пределах) только администраторам. В большинстве же случаев ОС присваивает приоритеты потокам по умолчанию.

В качестве примера рассмотрим схему назначения приоритетов потокам, принятую в операционной системе Windows NT (рис. 4.9). В системе определено 32 уровня приоритетов и два класса потоков - потоки реального времени и потоки с переменными приоритетами. Диапазон от 1 до 15 включительно отведен для потоков с переменными приоритетами, а от 16 до 31 - для более критичных ко времени потоков реального времени (приоритет 0 зарезервирован для системных целей).

Рис. 4.9 . Схема назначения приоритетов в Windows NT

При создании процесса он в зависимости от класса получает по умолчанию базовый приоритет в верхней 5 или нижней части диапазона. Базовый приоритет процесса в дальнейшем может быть повышен или понижен операционной системой. Первоначально Поток получает значение базового приоритета из диапазона базового приоритета процесса, в котором он был создан. Пусть, например, значение базового приоритета некоторого процесса равно К. Тогда все потоки данного процесса получат базовые приоритеты из диапазона [К-2, К+2]. Отсюда видно, что, изменяя базовый приоритет процесса, ОС может влиять на базовые приоритеты его потоков.

В Windows NT с течением времени приоритет потока, относящегося к классу потоков с переменными приоритетами, может отклоняться от базового приоритета потока, причем эти изменения могут быть не связаны с изменениями базового приоритета процесса. ОС может повышать приоритет потока (который в этом случае называется динамическим) в тех случаях, когда поток не полностью использовал отведенный ему квант, или понижать приоритет, если квант был использован полностью. ОС наращивает приоритет дифференцирование в зависимости от того, какого типа событие не дало потоку полностью использовать квант. В частности, ОС повышает приоритет в большей степени потокам, которые ожидают ввода с клавиатуры (интерактивным приложениям) и в меньшей степени - потокам, выполняющим дисковые операции. Именно на основе динамических приоритетов осуществляется планирование потоков. Начальной точкой отсчета для динамического приоритета является значение базового приоритета потока. Значение динамического приоритета потока ограничено снизу его базовым приоритетом, верхней же границей является нижняя граница диапазона приоритетов реального времени.

Существуют две разновидности приоритетного планирования: обслуживание с относительными приоритетами и обслуживание с абсолютными приоритетами.

В обоих случаях выбор потока на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается поток, имеющий наивысший приоритет. Однако проблема определения момента смены активного потока решается по-разному. В системах с относительными приоритетами активный поток выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ожидания (или же произойдет ошибка, или поток завершится). На рис. 4.10, а показан граф состояний потока в системе с относительными приоритетами.

В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного потока прерывается кроме указанных выше причин, еще при одном условии: если в очереди готовых потоков появился поток, приоритет которого выше приоритета активного потока. В этом случае прерванный поток переходит в состояние готовности (рис. 4.10, б).

В системах, в которых планирование осуществляется на основе относительных приоритетов, минимизируются затраты на переключения процессора с одной работы на другую. С другой стороны, здесь могут возникать ситуации, когда одна задача занимает процессор долгое время. Ясно, что для систем разделения времени и реального времени такая дисциплина обслуживания не подходит: интерактивное приложение может ждать своей очереди часами, пока вычислительной задаче не потребуется ввод-вывод. А вот в системах пакетной обработки (в том числе известной ОС OS/360) относительные приоритеты используются широко.

Рис. 4.10. Графы состояний потоков в системах с относительными и абсолютными приоритетами

В системах с абсолютными приоритетами время ожидания потока в очередях может быть сведено к минимуму, если ему назначить самый высокий приоритет. Такой поток будет вытеснять из процессора все остальные потоки (кроме потоков, имеющих такой же наивысший приоритет). Это делает планирование на основе абсолютных приоритетов подходящим для систем управления объектами, в которых важна быстрая реакция на событие.

Уровни приоритета

Существует 32 уровня приоритета от 0 до 31. Они разделены на 3 группы.

1 группа(с 16 по 31) – 16 уровней реального времени.

2 группа(с 1 по 15) – 15 динамических уровней.

3 группа(0) – системный уровень(для потока обнулениястраниц).

Управление памятью. Резервирование и передача страниц. Защита памяти.

Управление памятью.

В WindowsNTза управление памятью отвечает диспетчер виртуальной памяти. Содержится вNTOSkernel.exeи включает следующие компоненты

1) Набор сервисов исполнительной системы для выделения, освобождения и управления виртуальной памятью.

2) Обработчики ловушек трансляций недействительных адресов и решение доступа для разрешения аппаратно обнаруживаемых исключений.

Виртуальная память в Windows NT имеет страничную организацию, принятую во многих современных операционных системах. В общем виде схема страничной организации описывается следующим образом: линейный адрес разбивается на несколько частей. Старшая часть адреса содержит в себе номер элемента в корневой таблице. Этот элемент содержит адрес таблицы следующего уровня. Следующая часть линейного адреса содержит номер элемента уже в этой таблице и так далее, до последней таблицы, которая содержит номер физической страницы. А самая младшая часть адреса уже является номером байта в этой физической странице.

Процессоры Intel начиная с Pentium Pro позволяют операционным системам применять одно-, двух- и трехступенчатые схемы. И даже разрешается одновременное использование страниц различного размера. Эта возможность, конечно, повысила бы эффективность страничного преобразования, будь она внедрена в Windows NT. Увы, эта ОС возникла раньше и поддерживает только двухступенчатую схему преобразования с фиксированным размером страниц. Размер страниц для платформы Intel составляет 4 Кбайт, а для DEC Alpha - 8 Кбайт. Схема страничного преобразования (рис. 1) выглядит так:

Каждый раз, когда поток использует адрес, менеджер ВП вместе с аппаратными средствами транслирует виртуальный адрес в физический. Подсистема виртуальной памяти, управляя процессом трансляции виртуальных адресов, гарантирует, что нить одного процесса не сможет получить доступ к физической странице памяти, относящейся к другому процессу.

Каждый процесс NT executive имеет большое виртуальное адресное пространство размером в 4Гб, из которых 2 Гб резервируются для системных нужд. Младшие адреса виртуального адресного пространства доступны для потоков, работающих и в пользовательском, и в привилегированном режимах, они указывают на области памяти, уникальные для каждого процесса. Старшая часть адресов доступна для потоков только тогда, когда они выполняются в привилегированном режиме.

Резервирование и передача страниц.

Три состояния страниц.

Свободное.

Зарезервированное

Переданное

В WindowsNTпредусмотрены 4 основные способа защиты памяти.

Доступ ко всем общесистемным структурам данных и пулам памяти используемых системными компонентами режима ядра возможен лишь в режиме ядра.

У каждого процесса имеется индивидуальное адресное пространство защищённое от доступа потоков других процессов

Все процессоры поддерживаемые в WindowsNTпредоставляют ту или иную форму аппаратной защиты памяти.

Совместное используемый объект имеет стандартный для winntсписки контроля доступа (accesscontrollist) проверяемый при попытках процессов открыть эти страницы

В большинстве современных операционных систем виртуальная память организуется с помощью страничной адресации. Оперативная память делится на страницы: области памяти фиксированной длины (например, 4096 байт), которые являются минимальной единицей выделяемой памяти (то есть даже запрос на 1 байт от приложения приведёт к выделению ему страницы памяти). Процесс обращается к памяти с помощью адреса виртуальной памяти, который содержит в себе номер страницы и смещение внутри страницы. Процессор преобразует номер виртуальной страницы в адрес соответствующей ей физической страницы при помощи буфера ассоциативной трансляции. Если ему не удалось это сделать, то требуется обращение ктаблице страниц(так называемыйPage Walk ), что может сделать либо сам процессор, либо операционная система (в зависимости от архитектуры) . Если страница выгружена из оперативной памяти, то операционная система подкачивает страницу с жёсткого диска (см.свопинг). При запросе на выделение памяти операционная система может «сбросить» на жёсткий диск страницы, к которым давно не было обращений. Критические данные (например, код запущенных и работающих программ, код и памятьядрасистемы) обычно находятся в оперативной памяти (исключения существуют, однако они не касаются тех частей, которые отвечают за обработку аппаратных прерываний, работу с таблицей страниц и использование файла подкачки).

Введение

Последние 10 лет Windows – самая популярная (91,02% ) операционная система на рынке персональных компьютеров. Операционные системы Windows работают на платформах x86, AMD64, IA-64. Существовали также версии для DEC Alpha, MIPSи PowerPC.

Семейство Windows NT:

Операционные системы этого семейства работали на процессорах с архитектурой IA-32 и некоторых RISC-процессорах: Alpha, MIPS, Power PC (до версии 2000, которая вышла только в версии для IA-32). Windows NT являются полностью 32-битными операционными системами, и, в отличие от версий 1.0–3.x и 9x, не нуждаются в поддержке со стороны MS-DOS.

Windows NT 3.1 (1993)

Windows NT 3.5 (1994)

Windows NT 3.51 (1995)

Windows NT 4.0 (1996)

Windows 2000 (2000) – Windows NT 5.0

Windows XP (2001) – Windows NT 5.1

Windows XP 64-bit Edition (2006) – Windows NT 5.2

Windows Server 2003 (2003) – Windows NT 5.2

Windows Vista (2006) – Windows NT 6.0

Windows Home Server (2007)

Windows Server 2008

Windows 7 (2009) – Windows NT 7.0 (Актуальная версия – 6.1)

В основу семейства Windows NT положено разделение адресных пространств между процессами. Каждый процесс имеет возможность работать с выделенной ему памятью. Однако он не имеет прав для записи в память других процессов, драйверов и системного кода.

Семейство Windows NT относится к операционным системам с вытесняющей многозадачностью, а не к операционным системам реального времени. Разделение процессорного времени между потоками происходит по принципу «карусели». Ядро операционной системы выделяет квант времени (в Windows 2000 квант равен примерно 20 мс) каждому из потоков по очереди при условии, что все потоки имеют одинаковый приоритет. Поток может отказаться от выделенного ему кванта времени. В этом случае, система перехватывает у него управление (даже если выделенный квант времени не закончен) и передаёт управление другому потоку. При передаче управления другому потоку система сохраняет состояние всех регистров процессора в особой структуре в оперативной памяти. Эта структура называется контекстом потока. Сохранение контекста потока достаточно для последующего возобновления его работы.

API (Application Programming Interface – интерфейс прикладных программ) – это множество функций, организованных, обычно, в виде DLL. Функции API позволяют организовать интерфейс между прикладной программой и средой, в которой работает эта программа. Вызов функций API позволяет программе получать доступ к ресурсам среды и управлять ее работой. Как правило, API задает стандарт взаимодействия среды и прикладной программы.

Win32 – это название интерфейса, ориентированного на 32-х разрядные приложения и реализованного на таких известных платформах как Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows CE. Функции, составляющие этот интерфейс, позволяют прикладной программе получать доступ к ресурсам операционной системы и управлять ее работой. Более ранние версии Windows используют интерфейс, известный как Win16. Конечно, не все функции, составляющие интерфейс Win32, реализованы в полной мере на всех платформах, так что вызов одной и той же функции под NT приведет к определенному результату, а под Windows 95 работает как вызов заглушки. Любое из приложений, работающее в среде Windows, прямо или косвенно вызывает функции, входящие в Win32 API.

Функции, составляющие Win32 интерфейс, организованы в виде нескольких динамически подключаемых библиотек (DLL) и исполняемых файлов.

API функции не обязательно входят в состав Win32 интерфейса. Например, MAPI интерфейс (Messaging Application Programming Interface) составляют функции, предназначенные для обработки сообщений электронной почты, TAPI (Telephone API) – функции работы с телефонными сообщениями. MAPI, TAPI, также как и Win32 это некоторый набор функций, задающий определенный стандарт взаимодействия

Функции, образующие API, обычно, организованы в виде DLL – динамически подключаемых библиотеках. Одно из достоинств DLL состоит в том, что, сколько бы приложений (процессов) не работало с функциями одной и той же DLL, код DLLсуществует в единственном экземпляре.

1. Теоретическая часть

1.1 Возможности Win32 для нахождения списка запущенных процессов

программа алгоритм библиотека пользователь

Win32 предоставляет несколько способов перечисления запущенных процессов. К сожалению, нет единого способа, который бы работал на всех Win32-платформах. Программистам приходится комбинировать несколько методов в одной программе, чтобы она работала на всех версиях Windows.

1. Рассмотрим следующие методы:

2. С помощью библиотеки Process Status Helper (PSAPI)

3. С помощью ToolHelp32 API

4. С помощью недокументированной функции ZwQuerySystemInformation

5. Через счетчики производительности

6. С использованием интерфейсов Windows Management Instrumentation

7. Функции интерфейса сокетов

1.2 Использование библиотеки Process Status Helper

Библиотека Process Status Helper, известная также под названием PSAPI, предоставляет набор функций, позволяющих получить информацию о процессах и драйверах устройств. Библиотека поставляется в составе Windows 2000/XP и доступна в качестве устанавливаемой компоненты для Windows NT 4.0.

Для перечисления процессов библиотека предоставляет функцию EnumProcesses, которая возвращает массив идентификаторов запущенных процессов. Ниже приведен текст функции EnumProcesses_PsApi, реализующей перечисление процессов с помощью PSAPI.

Функция EnumProcesses не позволяет узнать, сколько места нужно для того, чтобы принять весь массив идентификаторов. Поэтому мы вызываем ее в цикле, увеличивая размер буфера, до тех пор, пока размер возвращенного массива не будет меньше размера буфера.

Поскольку мы хотим помимо идентификаторов процессов получить и имена процессов, мы должны проделать дополнительную работу. Для каждого процесса мы сначала получаем его описатель (handle) c помощью функции OpenProcess и затем используем функцию ЕnumProcessModules, которая возвращает список модулей, загруженных в адресное пространство процесса. Первым модулем в списке всегда является модуль, соответсвующий EXE-файлу программы. Наконец, мы вызываем функцию GetModuleFileNameEx (которая также является частью PSAPI), чтобы получить путь к EXE-файлу по описателю модуля. Мы используем имя EXE-файла без пути в качестве имени процесса.

Нужно обратить внимание на специальную обработку для двух процессов. Мы вынуждены обрабатывать отдельно процесс бездействия системы (Idle) с идентификатором 0, и системный процесс (System), который имеет идентификатор 2 на Windows NT 4 и 8 – на Windows 2000/XP, потому что OpenProcess не позволяет открыть описатель для этих процессов, возвращая код ошибки ERROR_ACCESS_DENIED.

RTOS складається з ядра, планувальника процесів (process manager) і розширених сервісів на рівні користувача. Як справжня мікроядерного операційна система, QNX Neutrino RTOS реалізує в ядрі ОС тільки найбільш фундаментальні сервіси, такі як передача повідомлень, сигнали, таймери, планування потоків, об"єкти синхронізації. Всі інші сервіси ОС, драйвери та програми виконуються як окремі процеси, які ...

Обеспечения является адекватной решению поставленной в техническом задании задачи. 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ Программная реализация разработанной выше структуры приложения состоит в разработке исполняемого Win32-приложения в среде визуального программирования MS Visual Studio. Проект программного обеспечения состоит из трех классов – CFuzzyApp, CFuzzyDlg, CFuzzy_. В...

Выдачей и приёмом лицензий). В условиях крупных сетей рекомендуется выделение под сервер лицензий отдельного компьютера (или нескольких - для резервирования). 1.1 Архитектура терминальных устройств В компьютерных технологиях трёхуровневая архитектура, синоним трёхзвенная архитектура (по англ. three-tier или Multitier architecture) предполагает наличие следующих компонентов приложения: ...

Доступ, то собственник сервера не идет в милицию, а нанимает хакера и «залатывает брешь» в защите. ГЛАВА 2. УГОЛОВНО-ПРАВОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕСТУПЛЕНИЙ В СФЕРЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 2.1. Неправомерный доступ к компьютерной информации В статье 272 Уголовного кодекса РФ предусмотрена ответственность за неправомерный доступ к компьютерной информации, охраняемой законом, т.е. информации на...

Все программы Win32 имеют схожий интерфейс: окно с заголовком, границами, системным меню, кнопками “закрыть”, “свернуть” “развернуть/восстановить” и рабочей областью. Окно можно переместить мышью, потянув за заголовок, можно изменить его размеры, перемещая границы. Рабочая область часто содержит меню, панель(и) инструментов. ОС работает с ресурсом через его объект, а пользователь работает с окнами.

Приложения

Работа с окном

• Работа в окне

Оснастка – ПО, устанавливаемое в комплекте с ОС. В нее входит рабочее окно – desktop: кнопка Start, My Computer, Recycle Bin, My Documents… Также устанавливается дополнительный набор программ – notepad, paint, explorer, find, служебные программы (scandisk, defrag, system information), …

Работа с оборудованием. Профили оборудования.

Control Panel  Device Manager (Диспетчер устройств)

Свойства (общие, драйвер, ресурсы), добавить , удалить .

Control Panel  Мастер установки оборудования

Все устройства делятся на наследованные (автоматически не распознаются), PnPработают не полностью,PnPполностью работают. Устройство,BIOSи ОС должны поддерживатьPnP, иначе устройство не будетPnP.

ControlPanelУстановка принтера

Сначала установить ПО, потом принтер, либо установить драйвер без присутствия принтера.

ControlPanelSystemПрофили оборудования

Профили оборудования помогают ускорить работу. Вступают в силу после перезагрузки.

Пользовательские настройки среды Windows. Профили пользователя.

ControlPanelPasswords

Можно установить один профиль для всех пользователей

ControlPanelUsers

В профиль пользователя входят:

• Избранное

  Звуковое сопровождение

  Language и International Standards

Единица размера (кегля) – пункт – 1/32 дюйма, ~0.36 мм. Шрифты из одного семейства различаются какими-либо параметрами. Они бывают пропорциональными и непропорциональными.Кернинг – размещение букв таким образом, чтобы расстояние между ними казалось одинаковым.

Эффекты – Bold , Italic , Underlined , Strike out …

Типы шрифтов Microsoft:

Битовые (растровые) FON

Векторные FON(Используются геометрические единицы)

TrueTypeTTF(Используются математические формулы)

Кроме того:

PostScriptработают быстро, но для каждого параметра нужен свой растр (Mac,Adobe)

1. Настройка производительности среды Windows.

   Видеосистема

Уровень использования аппаратного ускорения

Разрешение экрана

Рисунок на рабочем столе, различные эффекты

Файловая система

ControlPanelSystemПроизводительность

Настройка кэша на чтение и запись.

Имена в формате 8.3

Дефрагментация диска

Печать

ControlPanelPrinter

Печатать после загрузки одной страницы или всего документа

Виртуальная память

ControlPanelSystemПроизводительность

Файл подкачки – для памяти, вытесняемой из RAM. Авто-выбор зависит от размера свободно пространства.

1. Характеристика приложений. Поддержка приложений Win32.

Win32,Win16,DOS16 – три вида приложений. Все программыWin32 выполняются в одной виртуальной машине.

Приложения Win32:

Формат EXEPE

Стандарт API(стандартные средства интерфейса и функции ядра)

Поддержка работы в сети

Поддержка механизма OLE(хранение объектов различных приложений в одном документе,OLEпривязано к структуре каталогов, следовательно, плохо переносимо)

Поддержка P&P

Стандартная установка и удаление

Поскольку практическая часть данного курса предполагает разработку и выполнение разнообразных Win32-приложений, которые работают в среде, создаваемой Win32-подсистемой, необходимо рассмотреть ее более подробно. Взаимодействие между приложением и операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( системных сервисов в терминологии Microsoft). Однако приложение не может вызвать системный вызов напрямую (более того, системные вызовы не документированы). Вместо этого приложение должно воспользоваться программным интерфейсом ОС - Win32 API.

Win32 API (Application Programming Interface) - основной интерфейс программирования в семействе операционных систем Microsoft Windows. Функции Win32 API , например, CreateProcess или CreateFile , - документированные, вызываемые подпрограммы, реализуемые Win32 подсистемой.

• Функция полностью выполняется внутри данной dll (шаг 1).
• Для выполнения функции привлекается сервер csrss, для чего ему посылается сообщение (шаг 2a, за которым обычно следуют шаги 2b и 2c).
• Данный вызов транслируется в системный сервис ( системный вызов ), который обычно обрабатывается в модуле ntdll.dll (шаги 3a и 3b). Например, Win32-функция ReadFile выполняется с помощью недокументированного сервиса NtReadFile .

Некоторые функции (например, CreateProcess ) требуют выполнения обоих последних пунктов.

В первых версиях ОС Windows практически все вызовы Win32 API выполнялись, следуя маршруту 2 (2a, 2b, 2c). После того, как существенная часть кода системы для увеличения производительности была перенесена в ядро (начиная с Windows NT 4.0), вызовы Win32 API, как правило, идут напрямую по 3-му (3a, 3b) пути, минуя подсистему окружения Win32. В настоящее время лишь небольшое число вызовов выполняется по длинному 2-му маршруту.

Помимо перечисленных, наиболее важных dll-библиотек, в системном каталоге system32 имеется большое количество других dll-файлов. В настоящее время количество вызовов API составляет несколько десятков тысяч.

Список экспортируемых каждой конкретной dll функций можно посмотреть с помощью утилиты depends , входящей в пакет Platform SDK. Так, на рис. 1.7 приведена информация о структуре библиотеки kernel32.dll ОС Windows XP, экспортирующей 949 функций.

Заключение

В настоящей лекции изложена краткая история создания ОС Windows и ее миграция от микроядерной архитектуры в сторону монолитного дизайна. Описаны возможности и основные структурные компоненты системы. Рассмотрена подсистема Win32, которая объединяет ряд модулей режима ядра и режима пользователя и является базой для разработки приложений.

Приложение. Некоторые понятия и термины

DLL (динамически подключаемая библиотека)

Набор вызываемых подпрограмм, включенных в один двоичный файл, который приложения, использующие эти подпрограммы, могут динамически загружать в процессе своего выполнения. В качестве примера можно привести модули Msvcrt.dll (библиотека исполняющей Си подсистемы) и Kernel32.dll (одна из библиотек подсистемы Win32). DLL активно используются компонентами и приложениями ОС Windows пользовательского режима. Преимущество DLL перед статическими библиотеками состоит в том, что приложения могут разделять DLL-модули, при этом ОС Windows гарантирует, что в памяти будет находиться лишь по одному экземпляру используемых DLL.

Процессы и потоки

Под процессом понимается контейнер ресурсов, используемых потоками . Процесс включает: закрытое адресное пространство, в котором располагаются код, данные и стеки потоков; список открытых описателей ресурсов; контекст защиты; идентификатор процесса.

Поток команд исполняемой программы, или просто поток - сущность внутри процесса, получающая процессорное время. Поток характеризуется набором регистров (состоянием), идентификатором потока, стеками режимов ядра и пользователя.

Более подробно процессы и потоки описаны в части II.

Windows (правда, это не относится к Windows 9x и Windows СЕ) сертифицирована Управлением национальной безопасности (National Security Agency, NSA) как система, обеспечивающая уровень безопасности С2.

Применение большинства других ОС, отличных от UNIX, Linux и Windows, ограничивается только системами, предоставляемыми единственным поставщиком.

Операционные системы семейства Windows предлагают ряд возможностей, которые в стандартной системе UNIX отсутствуют, хотя и могут быть доступными в некоторых реализациях. В качестве примера можно привести систему безопасности уровня С2, а также службы NT Services.

Windows предоставляет функциональность современных ОС, а диапазон систем, которые могут работать под ее управлением, простирается от текстовых процессоров и почтовых программ до интегрированных систем предприятия и серверов крупных баз данных. На принятие решений относительно способа разработки Windows-приложений оказывают влияние как соображения технического порядка, так и корпоративные требования.

Windows, стандарты и открытые системы

Эта книга посвящена разработке приложений с использованием Windows API. Вполне естественно, что у программистов, воспитанных на UNIX и открытых системах, могут возникнуть следующие вопросы: "Является ли Windows открытой системой?", "Представляет ли собой Windows промышленный стандарт?", "Не является ли Windows всего лишь очередным патентованным API?" Ответы на эти вопросы во многом зависят от того, что именно понимается под определениями открытая (open), промышленный стандарт (industry standard) или патентованный (proprietary), а также от того, какие преимущества ожидаются от использования открытых систем.

Windows API полностью отличается от API стандарта POSIX, поддерживаемого системами Linux и UNIX. Windows не подчиняется стандарту Х/Open, как не подчиняется и никакому другому открытому промышленному стандарту из тех, которые были предложены соответствующими органами стандартизации или промышленными консорциумами.

Windows контролируется единственным поставщиком. Хотя Microsoft и заявляет о своей готовности приспосабливаться к требованиям отрасли и учитывать их, в этих вопросах сама же она является арбитром и исполнителем в одном лице. Отсюда следует, что, помимо других преимуществ, пользователи Windows получают многие из выгод, которые обычно предлагают открытые стандарты.

Унифицированные реализации быстрее достигают рынка.

Отсутствуют какие-либо неожиданные фирменные "улучшения" или "расширения", с которыми потом приходится бороться программисту, хотя небольшие различия, существующие между различными платформами Windows, все же приходится учитывать.

Вся совокупность полноценных ОС-продуктов, предлагающих все необходимые возможности, определена и реализована одним и тем же поставщиком. Разработчикам приложений остается решать только высокоуровневые задачи.

Базовая аппаратная платформа является открытой. Разработчики могут выбирать любого из многочисленных поставщиков платформ по своему усмотрению.

Жаркие споры относительно того, к добру ли такая ситуация для пользователей и компьютерной индустрии в целом, или она только вредит общему делу, еще не закончились. Мы не будем пытаться участвовать в этом споре; задача данной книги состоит лишь в том, чтобы помочь разработчикам приложений как можно скорее приступить к работе в Windows.

В действительности системы Windows поддерживают многие важные стандарты. Так, Windows поддерживает стандартные библиотеки С и С+ и целый ряд открытых стандартов межплатформенного взаимодействия. В качестве примера можно привести сокеты Windows (Windows Sockets), предоставляющие стандартный интерфейс сетевого программирования, который обеспечивает возможность использования TCP/IP и других сетевых протоколов и тем самым открывает возможности доступа в Internet и взаимодействия с системами, не принадлежащими семейству Windows. To же самое остается справедливым и по отношению к протоколу удаленного вызова процедур (Remote Procedure Calls, RPC). Системы самой различной природы могут связываться с высокоуровневыми системами управления базами данных (СУБД) при помощи языка структурированных запросов (SQL). Наконец, в общий круг предложений Windows входит поддержка Internet, обеспечиваемая Web-серверами и серверам иного рода. Windows поддерживает такие ключевые стандарты, как TCP/IP, а на активно действующем рынке поставщиков решений Windows вам предлагают приобрести за разумную плату множество других ценных дополнительных продуктов, в том числе клиенты и серверы X Window.

Резюмируя, можно утверждать, что Windows поддерживает наиболее важные из стандартов межплатформенного взаимодействия, и хотя основной API является собственностью компании, он доступен по умеренной цене для широкого ряда систем.

Библиотеки совместимости

Несмотря на наличие библиотек совместимости (compatibility libraries), ими пользуются очень редко. Существуют две возможности.

В системах на основе UNIX, Linux, Macintosh и некоторых других может быть развернута одна из библиотек совместимости Windows, например, эмулятор Windows с открытым исходным кодом Wine, что обеспечивает переносимость исходного кода из Windows.

За счет использования программного обеспечения с открытым исходным кодом и набора инструментальных средств Windows Resource Kit компании Microsoft поверх подсистемы Windows может быть развернута библиотека совместимости POSIX. Весьма ограниченная по своим возможностям библиотека совместимости входит в состав среды визуальной разработки при ложений Microsoft Visual C++.

Таким образом, имеется, пусть даже и редко используемая, возможность выбора одного API и развертывания разработанных с его помощью переносимых приложений на системах Windows, POSIX и даже Macintosh.

Принципы, лежащие в основе Windows

Полезно никогда не забывать о некоторых базовых принципах Windows. В Windows API имеется множество как самых незаметных, так и значительных отличий от других API, таких как POSIX API, с которым знакомы программисты, работающие в UNIX и Linux. И хотя с применением Windows не связаны какие-либо специфические трудности в работе, она потребует от вас внесения некоторых изменений в привычные стиль и методику программирования.

Ниже описаны некоторые из важнейших характеристик Windows, с которыми вы ближе познакомитесь по мере дальнейшего изложения материала.

Многие системные ресурсы Windows представляются в виде объектов ядра (kernel objects), для идентификации и обращения к которым используются дескрипторы (handles). По смыслу эти дескрипторы аналогичны дескрипторам (descriptors) файлов и идентификаторам (ID) процессов в UNIX.

Любые манипуляции с объектами ядра осуществляются только с использованием Windows API. "Лазеек" для обхода этого правила нет. Подобная организация работы согласуется с принципами абстрагирования данных, используемыми в объектно-ориентированном программировании, хотя сама система Windows объектно-ориентированной не является.

К объектам относятся файлы, процессы, потоки, каналы межпроцессного взаимодействия, объекты отображения файлов, события и многое другое. Объекты имеют атрибуты защиты.

Windows - богатый возможностями и гибкий интерфейс. Во-первых, одни и те же или аналогичные задачи могут решаться с помощью сразу нескольких функций; так, имеются вспомогательные функции (convenience functions), полученные объединением часто встречающихся последовательностей функциональных вызовов в одну функцию (к числу подобных функций принадлежит и функция CopyFile, используемая в одном из примеров далее в этой главе). Во-вторых, функции часто имеют многочисленные параметры и флаги, многие из которых обычно игнорируются. Данная книга не претендует на роль энциклопедического справочника, и основное внимание в ней концентрируется лишь на наиболее важных функциях и параметрах.

Windows предлагает многочисленные механизмы синхронизации и взаимодействия, обеспечивающие удовлетворение самых разнообразных запросов.

Базовой единицей выполнения в Windows является поток (thread). В одном процессе (process) могут выполняться один или несколько потоков.

Для функций Windows используются длинные описательные имена. Приведенные ниже в качестве примера имена функций иллюстрируют не только соглашения об использовании имен, но и многоликость функций Windows:

Существует также несколько соглашений, регулирующих порядок использования имен типов:

Имена предопределенных типов данных, необходимых API, также являются описательными, и в них должны использоваться прописные буквы.

К числу наиболее распространенных относятся следующие типы данных:

BOOL (определен как 32-битовый объект, предназначенный для хранения одного логического значения)

DWORD (вездесущее 32-битовое целое без знака)

LPTSTR (указатель на строку, состоящую из 8– или 16-битовых символов)

LPSECURITY_ATTRIBUTES

С другими многочисленными типами данных вы будете знакомиться по мере изложения материала.

В именах предопределенных типов указателей операция * не используется, и они отражают дополнительные отличия между указателями различного типа, как, например, в случае типов LPTSTR (определен как TCHAR *) и LPCTSTR (определен как const TCHAR *). Примечание. Тип TCHAR может обозначать как обычный символьный тип char, так и двухбайтовый тип wchar_t.

В отношении использования имен переменных, - по крайней мере, в прототипах функций, - также имеются определенные соглашения. Так, имя lpszFileName соответствует "длинному указателю на строку, завершающуюся нулевым символом", которая содержит имя файла. Этот пример иллюстрирует применение так называемой "венгерской нотации", которой мы в данной книге, как правило, не стремимся придерживаться. Точно так же, dwAccess - двойное слово (32 бита), содержащее флаги прав доступа к файлу, где "dw" означает "double word" - "двойное слово".

Примечание

Будет очень полезно, если вы просмотрите системные заголовочные (включаемые) файлы, в которых содержатся определения функций, констант, флагов, кодов ошибок и тому подобное. Многие из представляющих для нас интерес файлов, аналогичных тем, которые предложены ниже в качестве примера, являются частью среды Microsoft Visual C++ и обычно устанавливаются в каталоге Program Files\Microsoft Visual Studio.NET\Vc7\PlatformSDK\Include (или Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Include в случае VC++ 6.0):

WINDOWS.H (файл, обеспечивающий включение всех остальных заголовочных файлов)

Наконец, несмотря на то что оригинальный API Win32 с самого начала разрабатывался как совершенно независимый интерфейс, он проектировался с учетом обеспечения обратной совместимости с API Winl6, входившим в состав Windows 3.1. Это привело к некоторым досадным с точки зрения программиста последствиям:

В названиях типов встречаются элементы анахронизма, как, например, в случае типов LPTSTR и LPDWORD, ссылающихся на "длинный указатель", который является простым 32– или 64-битовым указателем. Необходимость в указателях какого-либо иного типа отсутствует. Иногда составляющая "длинный" опускается, и тогда, например, типы LPVOID и PVOID являются эквивалентными.

В имена некоторых символических констант, например WIN32_FIND_DATA, входит компонент "WIN32", хотя те же константы используются и в Win64.

Несмотря на то что упомянутая проблема обратной совместимости в настоящее время потеряла свою актуальность, она оставила после себя множество 16-разрядных функций, ни одна из которых в этой книге не используется, хотя и могло бы показаться, что эти функции играют весьма важную роль. В качестве примера можно привести функцию OpenFile, которая, судя по ее названию, нужна для открытия файлов, тогда как в действительно сти для открытия существующих файлов всегда следует пользоваться только функцией CreateFile.

Подготовка к работе с Win64

Интерфейс Win64, который во время написания данной книги поддерживался Windows XP и Windows Server 2003 на процессорах семейства AMD64 (Opteron и Athlon 64) компании AMD и процессорах семейства Itanium (ранее известных под кодовыми названиями Merced, McKinley, Madison и IA-64) компании Intel, будет играть все более важную роль при создании крупных приложений. Существенные отличия между Win32 и Win64 обусловлены различиями в размере указателей (64 бита в Win64) и объеме доступного виртуального адресного пространства.

Проблемы переноса приложений на платформу Win64 обсуждаются по мере изложения материала на протяжении всей книги, а программы организованы таким образом, чтобы создание их в виде приложений Win64 обеспечивалось простым указанием соответствующих параметров на стадии компиляции. В находящихся на Web-хосте книги проектах с программами примеров в необходимых случаях предусмотрен вывод сообщений, предупреждающих о возникновении проблем при переходе к 64 разрядам, но большинство ситуаций (хотя и не полностью все), которые могли бы приводить к генерации таких сообщений, из программного кода исключены.

С точки зрения программиста основные отличия при переходе к Win64 обусловлены размерами указателей и необходимостью помнить о том, что длины указателя и целочисленной переменной (LONG, DWORD и так далее) не обязательно должны совпадать. С этой целью определены, например, типы DWORD32 и DWORD64, позволяющие явно управлять размером переменных. Два других типа, POINTER_32 и POINTER_64, позволяют управлять размером указателей.

Как вы сами убедитесь, приложив лишь самые незначительные усилия, можно добиться того, чтобы программы работали как в Win32, так и в Win64, и поэтому мы будем часто ссылаться на API просто как на Windows или, иногда, Win32. Дополнительная информация относительно Win64 содержится в главе 16, где, в частности, обсуждаются вопросы совместимости исходных и двоичных кодов.

Программисты, работающие с UNIX и Linux, столкнутся в Windows с рядом интересных особенностей. Так, в Windows дескрипторы HANDLE являются "непрозрачными". Они не представляют собой ряд последовательно возрастающих целых чисел. В то же время, например, в UNIX дескрипторы файлов 0, 1 и 2 имеют специальное назначение, что должно обязательно учитываться при написании программ. Ничего подобного в Windows вы не обнаружите.

Многие из различий, например грань между идентификаторами процессов и дескрипторами файлов, в Windows оказываются стертыми. В Windows объекты обеих типов описываются дескрипторами типа HANDLE. Во многих важных функциях могут наравне использоваться дескрипторы файлов, процессов, событий, каналов и других объектов.

Программистам, которые, работая в UNIX, привыкли к коротким именам функций и параметров и использовали преимущественно строчные буквы, придется приспосабливаться к более пространному стилю Windows. Стиль Windows близок к стилю интерфейса компании Hewlett Packard (ранее - DEC и Compaq); программистам, работающим с OpenVMS, многое покажется знакомым. Указанное сходство между OpenVMS и Windows частично объясняется тем, что Дэвид Катлер (David Cutler), создатель первоначальной архитектуры VMS, предполагал, что она должна играть ту же роль, что и NT или Windows.

Радикальные отличия касаются такого хорошо знакомого нам всем понятия, как процессы. В Windows процессы не обладают свойствами наследования, хотя и могут быть организованы в виде объектов заданий.

В завершение следует отметить, что в текстовых файлах Windows конец строки отмечается последовательностью управляющих символов CR-LF, а не LF, как в это принято в UNIX.

О целесообразности привлечения функций стандартной библиотеки C для обработки файлов

Несмотря на всю уникальность возможностей Windows, старый добрый язык С и его стандартная библиотека ANSI С по-прежнему могут с успехом использоваться при решении большинства задач, связанных с обработкой файлов. Кроме того, библиотека С (указание на ее соответствие стандарту ANSI С мы будем часто опускать) содержит большое число очень нужных функций, аналогов которых среди системных вызовов нет. К их числу относятся, например, функции, описанные в заголовочных файлах , и , а также функции форматированного и символьного ввода/вывода. В то же время, имеются и такие функции, как fopen и fread, описанные в заголовочном файле , для которых находятся близко соответствующие им системные вызовы.

В каких же случаях при обработке файлов можно обойтись библиотекой С, а в каких необходимо использовать системные вызовы Windows? Тот же вопрос можно задать и в отношении использования потоков (streams) ввода/вывода C++ или системы ввода/вывода, которая предоставляется платформой.NET. Простых ответов на эти вопросы не существует, но если во главу угла поставить переносимость программ на платформы, отличные от Windows, то в тех случаях, когда приложению требуется только обработка файлов, а не, например, управление процессами или другие специфические возможности Windows, предпочтение следует отдавать библиотеке С и потокам ввода/вывода C++. Вместе с тем, многими программистами ранее уже делались попытки выработать рекомендации относительно адекватности использования библиотеки С в тех или иных случаях, и эти же рекомендации должны быть применимы и в отношении Windows. Кроме того, с учетом возможностей расширения функциональности, а также повышения производительности и гибкости программ, обеспечиваемые Windows, нередко оказывается более удобным или даже необходимым не ограничиваться библиотекой С, в чем вы постепенно станете убеждаться уже начиная с главы 3. К числу возможностей Windows, не поддерживаемых библиотекой С, относятся блокирование и отображение файлов (необходимое для разделения общих областей памяти), асинхронный ввод/вывод, произвольный доступ к файлам чрезвычайно крупных размеров (4 Гбайт и выше) и взаимодействие между процессами.

В случае простых программ вам будет вполне достаточно использовать функции библиотеки С, предназначенные для работы с файлами. Воспользовавшись библиотекой С, можно написать переносимое приложение даже без изучения Windows, однако возможности выбора при этом будут ограниченными. Так, в главе 5 для повышения производительности программы и упрощения программирования применено отображение файлов, однако библиотека С такие возможности не предоставляет.

Что требуется для работы с данной книгой

Ниже перечислено все то, что необходимо вам для создания и выполнения примеров, приведенных в этой и последующих главах книги.

Разумеется, прежде всего, вам потребуется весь ваш опыт в области разработки приложений; предполагается также, что язык С вам знаком. Однако прежде, чем браться за решение упражнений и разбор примеров, вы должны убедиться в том, что располагаете всем необходимым аппаратным и программным обеспечением, перечень которого приводится ниже.

Система с установленной ОС Windows.

Компилятор С и любая подходящая среда разработки приложений, например, Microsoft Visual Studio .NET или Microsoft Visual C++ версии 6.0. Имеются также системы разработки приложений от других поставщиков, и хотя примеры из книги нами на них не тестировались, из поступивших от нескольких читателей писем нам стало известно, что примеры, пусть даже после внесения в них незначительных изменений, в некоторых случаях успешно выполнялись даже при использовании других систем. Кроме того, в приложении А содержится информация, касающаяся использования инструментальных средств с открытым исходным кодом. Примечание. Наше внимание будет сосредоточено на разработке консольных приложений Windows, и поэтому возможности Microsoft Visual Studio .NET будут задействованы далеко не в полной мере.

Достаточный для разработки программ объем ОЗУ и наличие свободного места на жестком диске. Практически любая коммерчески доступная система предоставит вам достаточный объем памяти, место на диске и процессорную мощность, которых хватит для запуска примеров и среды разработки приложений, однако предварительно необходимо проверить, какие именно требования к ресурсам предъявляет эта среда.

Привод компакт-диска, системного или сетевого, для установки среды разработки приложений.

Оперативная документация наподобие той, которая поставляется вместе с Microsoft Visual C++. Желательно, чтобы вы установили эту документацию на своем жестком диске, поскольку к ней будет требоваться частый доступ. Дополнительную информацию вы всегда сможете получить на Web-сайте компании Microsoft.

Пример: простое последовательное копирование файла

В следующих разделах приведены примеры коротких программ, реализующих простое последовательное копирование содержимого файла тремя различными способами:

1. С использованием библиотеки С.

2. С использованием Windows.

3. С использованием вспомогательной функции Windows - CopyFile.

Кроме того, что эти примеры дают возможность сопоставить между собой различные модели программирования, они также демонстрируют возможности и ограничения, присущие библиотеке С и Windows. Альтернативные варианты реализации усилят программу, увеличивая ее производительность и повышая гибкость.

Последовательная обработка файлов является простейшей, наиболее распространенной и самой важной из возможностей, обеспечиваемых любой операционной системой, и почти в каждой большой программе хотя бы несколько файлов обязательно подвергаются этому виду обработки. Поэтому простая программа обработки файлов предоставляет прекрасную возможность ознакомиться с Windows и принятыми в ней соглашениями.

Копирование файлов, нередко осуществляемое совместно с обновлением их содержимого, и слияние отсортированных файлов являются распространенными формами последовательной обработки файлов. Примерами других приложений, осуществляющих последовательный доступ к файлам, могут служить компиляторы и инструментальные средства, предназначенные для обработки текста.

Несмотря на концептуальную простоту последовательной обработки файлов, эффективная реализация этого процесса, обеспечивающая оптимальную скорость его выполнения, может оказаться нелегкой задачей. Для этого может потребоваться использование перекрывающегося ввода/вывода, отображения файлов, потоков и других дополнительных методов.

Само по себе копирование файлов не представляет особого интереса, однако сравнение программ не только позволит вам быстро оценить, чем отличаются друг от друга различные системы, но и послужит хорошим предлогом для знакомства с Windows. В последующих примерах реализуется ограниченный вариант одной из команд UNIX - cp, осуществляющей копирование одного файла в другой и требующей задания имен файлов в командной строке. В приведенных программах организована лишь простейшая проверка ошибок, которые могут возникать на стадии выполнения, а существующие файлы просто перезаписываются. Эти и другие недостатки будут учтены в последующих Windows-реализациях этой и других программ. Примечание. Реализация программы для UNIX находится на Web-сайте книги.

Копирование файлов с использованием стандартной библиотеки С

Как видно из текста программы 1.1, стандартная библиотека С поддерживает объекты потоков ввода/вывода FILE, которые напоминают, несмотря на меньшую общность, объекты Windows HANDLE, представленные в программе 1.2.

Программа 1.1. срC: копирование файлов с использованием библиотеки С

/* Глава 1. Базовая программа копирования файлов cp. Реализация, использующая библиотеку С. */

/* cp файл1 файл2: Копировать файл1 в файл2. */

int main(int argc, char *argv) {

printf("Использование: срС файл1 файл2\n");

in_file = fopen(argv , "rb");

out_file = fopen(argv , "wb");

/* Обработать входной файл по одной записи за один раз. */

while ((bytes_in = fread(rec, 1, BUF_SIZE, in_file)) > 0) {

bytes_out = fwrite(rec, 1, bytes_in, out_file);

perror("Неустранимая ошибка записи.");

Этот простой пример может служить наглядной иллюстрацией ряда общепринятых допущений и соглашений программирования, которые не всегда применяются в Windows.

1. Объекты открытых файлов идентифицируются указателями на структуры FILE (в UNIX используются целочисленные дескрипторы файлов). Указателю NULL соответствует несуществующий объект. По сути, указатели являются разновидностью дескрипторов объектов открытых файлов.

2. В вызове функции fopen указывается, каким образом должен обрабатываться файл - как текстовый или как двоичный. В текстовых файлах содержатся специфические для каждой системы последовательности символов, используемых, например, для обозначения конца строки. Во многих системах, включая Windows, в процессе выполнения операций ввода/вывода каждая из таких последовательностей автоматически преобразуется в нулевой символ, который интерпретируется в языке С как метка конца строки, и наоборот. В нашем примере оба файла открываются как двоичные.

3. Диагностика ошибок реализуется с помощью функции perror, которая, в свою очередь, получает информацию относительно природы сбоя, возникающего при вызове функции fopen, из глобальной переменной errno. Вместо этого можно было бы воспользоваться функцией ferror, возвращающей код ошибки, ассоциированный не с системой, а с объектом FILE.

4. Функции fread и fwrite возвращают количество обработанных байтов непосредственно, а не через аргумент, что оказывает существенное влияние на логику организации программы. Неотрицательное возвращаемое значение говорит об успешном выполнении операции чтения, тогда как нулевое - о попытке чтения метки конца файла.

5. Функция fclose может применяться лишь к объектам типа FILE (аналогичное утверждение справедливо и в отношении дескрипторов файлов UNIX).

6. Операции ввода/вывода осуществляются в синхронном режиме, то есть прежде чем программа сможет выполняться дальше, она должна дождаться завершения операции ввода/вывода.

7. Для вывода сообщений об ошибках удобно использовать входящую в библиотеку С функцию ввода/вывода printf, которая даже будет использована в первом примере Windows-программы.

Преимуществом реализации, использующей библиотеку С, является ее переносимость на платформы UNIX, Windows, а также другие системы, которые поддерживают стандарт ANSI С. Кроме того, как показано в приложении В, в том, что касается производительности, вариант, использующий функции ввода/вывода библиотеки С, ничуть не уступает другим вариантам реализации. Тем не менее, в этом случае программы вынуждены ограничиваться синхронными операциями ввода/вывода, хотя влияние этого ограничения будет несколько ослаблено использованием потоков Windows (начиная с главы 7).

Как и их эквиваленты в UNIX, программы, основанные на функциях для работы с файлами, входящих в библиотеку С, способны выполнять операции произвольного доступа к файлам (с использованием функции fseek или, в случае текстовых файлов, функций fsetpos и fgetpos), но это является уже потолком сложности для функций ввода/вывода стандартной библиотеки С, выше которого они подняться не могут. Вместе с тем, Visual C++ предоставляет нестандартные расширения, способные, например, поддерживать блокирование файлов. Наконец, библиотека С не позволяет управлять средствами защиты файлов.

Резюмируя, можно сделать вывод, что если простой синхронный файловый или консольный ввод/вывод - это все, что вам надо, то для написания переносимых программ, которые будут выполняться под управлением Windows, следует использовать библиотеку С.

Копирование файлов с использованием Windows

В программе 1.2 решается та же задача копирования файлов, но делается это с помощью Windows API, а базовые приемы, стиль и соглашения, иллюстрируемые этой программой, будут использоваться на протяжении всей этой книги.

Программа 1.2. cpW: копирование файлов с использованием Windows, первая реализация

/* Глава 1. Базовая программа копирования файлов cp. Реализация, использующая Windows. */

/* cpW файл1 файл2: Копировать файл1 в файл2. */

printf ("Использование: cpW файл1 файл2\n");

hIn = CreateFile(argv , GENERIC_READ, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);

if (hIn == INVALID_HANDLE_VALUE) {

printf("Невозможно открыть входной файл. Ошибка: %х\n", GetLastError());

hOut = CreateFile(argv, GENERIC_WRITE, 0, NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);

if (hOut == INVALID_HANDLE_VALUE) {

printf("Невозможно открыть выходной файл. Ошибка: %x\n", GetLastError());

while (ReadFile(hIn, Buffer, BUF_SIZE, &nIn, NULL) && nIn > 0) {

WriteFile(hOut, Buffer, nIn, &nOut, NULL);

printf ("Неустранимая ошибка записи: %x\n", GetLastError());

Этот простой пример иллюстрирует некоторые особенности программирования в среде Windows, к подробному рассмотрению которых мы приступим в главе 2.

1. В программу всегда включается файл , в котором содержатся все необходимые определения функций и типов данных Windows.

2. Все объекты Windows идентифицируются переменными типа Handle, причем для большинства объектов можно использовать одну и ту же общую функцию CloseHandle.

3. Рекомендуется закрывать все ранее открытые дескрипторы, если в необходимость в них отпала, чтобы освободить ресурсы. В то же время, при завершении процессов относящиеся к ним дескрипторы автоматически закрываются ОС, и если не остается ни одного дескриптора, ссылающегося на какой-либо объект, то ОС уничтожает этот объект и освобождает соответствующие ресурсы. (Примечание. Как правило, файлы подобным способом не уничтожаются.)

4. Windows определяет многочисленные символические константы и флаги. Обычно они имеют длинные имена, нередко поясняющие назначение данного объекта. В качестве типичного примера можно привести имена INVALID_HANDLE_VALUE и GENERIC_READ.

5. Функции ReadFile и WriteFile возвращают булевские значения, а не количества обработанных байтов, для передачи которых используются аргументы функций. Это определенным образом изменяет логику организации работы циклов. Нулевое значение счетчика байтов указывает на попытку чтения метки конца файла и не считается ошибкой.

6. Функция GetLastError позволяет получать в любой точке программы коды системных ошибок, представляемые значениями типа DWORD. В программе 1.2 показано, как организовать вывод генерируемых Windows текстовых сообщений об ошибках.

7. Windows NT обладает более мощной системой защиты файлов, описанной в главе 15. В данном примере защита выходного файла не обеспечивается.

8. Такие функции, как CreateFile, обладают богатым набором дополнительных параметров, но в данном примере использованы значения по умолчанию.

Копирование файлов с использованием вспомогательной функции Windows

Для повышения удобства работы в Windows предусмотрено множество вспомогательных функций (convenience functions), которые, объединяя в себе несколько других функций, обеспечивают выполнение часто встречающихся задач программирования. В некоторых случаях использование этих функций может приводить к повышению производительности (см. приложение В). Например, благодаря применению функции CopyFile значительно упрощается программа копирования файлов (программа 1.3). Помимо всего прочего, это избавляет нас от необходимости заботиться о буфере, размер которого в двух предыдущих программах произвольно устанавливался равным 256.

Программа1.3.cpCF: копирование файлов с использованием вспомогательной функции Windows

/* Глава 1. Базовая программа копирования файлов cp. Реализация, в которой для повышения удобства использования и производительности программы используется функция Windows CopyFile. */

/* cpCF файл1 файл2: Копировать файл1 в файл2. */

int main (int argc, LPTSTR argv ) {

printf ("Использование: cpCF файл1 файл2\n");

if (!CopyFile(argv, argv, FALSE)) {

printf("Ошибка при выполнении функции CopyFile: %x\n", GetLastError());

Резюме

Ознакомительные примеры, в качестве которых были использованы три простые программы копирования файлов, демонстрируют многие из отличий, существующих между программами, в которых применяется с одной стороны библиотека С, а с другой - Windows. Отличия в производительности различных вариантов реализации анализируются в приложении В. Примеры, в которых используется Windows, наглядно демонстрируют стиль программирования и некоторые соглашения, принятые в Windows, но дают лишь отдаленное представление о тех функциональных возможностях, которые Windows предлагает программистам.

Целевыми платформами для данной книги и содержащихся в ней примеров являются системы NT5 (Windows XP, 2000 и Server 2003). Тем не менее, большая часть материала книги применима также к ранним версиям NT и системам Windows 9x (95, 98 и Me).

В следующих главах

Главы 2 и 3 посвящены гораздо более пристальному рассмотрению функций ввода/вывода и файловой системы. Они включают в себя такие темы, как консольный ввод/вывод, обработка символов ASCII и Unicode, работа с файлами и каталогами, а также программирование реестра. В указанных главах разрабатываются базовые методики и закладывается фундамент для остальной части книги.

Дополнительная литература

Win32

Двумя доступными в настоящее время книгами, в которых вопросы программирования для Windows рассматриваются с всех возможных точек зрения, являются и . В то же время, существует множество других книг, которые не обновлялись и не отражают прогресс, достигнутый с момента выхода Windows 95 или Windows NT.

По каждой функции Microsoft Visual C++ имеется оперативная гипертекстовая справочная документация, но ту же информацию можно получить, посетив домашнюю страницу компании Microsoft - http://www.microsoft.com, где вы найдете целый ряд ссылок на технические статьи, посвященные различным аспектам Windows. Начните с раздела MSDN (Microsoft Developer"s Network) и произведите поиск по любой интересующей вас теме. Вы обнаружите огромное разнообразие официальной документации, описаний продуктов, примеров программного кода, а также другую полезную информацию.

Win64

Win64 обсуждается в нескольких книгах, но обширный материал по этой теме можно найти на домашней странице компании Microsoft.

Архитектура Windows NT и история ее развития

Читателям, которые хотят больше узнать о целях проектирования Windows NT или понять основные принципы, лежащие в основе ее архитектуры, будет полезна книга . В этой книге рассматриваются объекты, процессы, потоки, виртуальная память, ядро и подсистемы ввода/вывода. Вместе с тем, собственно функции API, а также Windows 9x и СЕ в ней не обсуждаются. Рекомендуем время от времени заглядывать в упомянутую книгу для получения дополнительной информации. Кроме того, обратитесь к ранее вышедшим книгам и , в которых содержится важный ретроспективный анализ эволюции NT.

UNIX

В книге , написанной ныне покойным Уильямом Ричардом Стивенсом (W. Richard Stevens), UNIX обсуждается во многом в тех же терминах, которые в настоящей книге используются для обсуждения Windows. Книга Стивенса по-прежнему остается стандартным справочником по средствам UNIX, но в ней не рассматриваются потоки. Стандартизация UNIX претерпела изменения, однако в книге Стивенса содержатся удобные рабочие определения всего того, что предлагается в UNIX, а также в Linux. В этой книге сопоставлены возможности функций файлового ввода/вывода библиотеки С и функций ввода/вывода системы UNIX, что имеет отношение и к Windows.

Если вас интересуют сравнительные характеристики ОС и более глубокое обсуждение UNIX, обратитесь к книге и ее русскоязычному изданию , которая помимо того, что является весьма полезной, еще и увлекательно написана, хотя некоторым читателям позиция автора может показаться несколько предвзятой.

Программирование с использованием Windows GUI

Пользовательский интерфейс в настоящей книге не рассматривается. В случае необходимости можете обратиться к или .

Теория операционных систем

Существует масса хороших учебников по общей теории ОС. Одной из наиболее популярных является книга .

Стандартная библиотека ANSI С

Исчерпывающим руководством по этой теме служит книга . Для получения беглого обзора можно обратиться к книге или к ее русскоязычному изданию , которая содержит полное описание библиотеки и остается классическим учебником по языку программирования С. Эти книги помогут вам принять решение относительно того, достаточно ли возможностей библиотеки С для решения стоящих перед вами задач обработки файлов.

Windows СЕ

Тем, кто хочет применить материал настоящей книги к Windows СЕ, можно порекомендовать книгу .

Эмуляция Windows в UNIX

Для получения необходимой информации по этому вопросу и загрузки пакета с открытым исходным кодом Wine, позволяющего эмулировать Windows API поверх UNIX и X, посетите сайт http://www.winehq.com.

Упражнения

1.1. Скомпилируйте, скомпонуйте и выполните каждую из трех программ, предназначенных для копирования файлов. К числу других возможных вариантов реализации относится использование библиотек совместимости с UNIX, включая библиотеку Microsoft Visual C++ (программа, использующая эту библиотеку, доступна на Web-сайте книги). Примечание. На Web-сайте книги на ходятся исходные коды всех программ. Краткие рекомендации относительно порядка использования этих кодов в средах Microsoft Visual Studio .NET и Microsoft Visual C++ 6.0 вы найдете в приложении А.

1.2. Ознакомьтесь с одной из сред разработки приложений, например, Microsoft Visual Studio .NET или Microsoft Visual C++. В частности, научитесь создавать в выбранной среде консольные приложения. Для проведения самостоятельных экспериментов с использованием рассмотренных в данной главе программ пользуйтесь отладчиком. Инструкции относительно того, как следует приступать к работе, содержатся в приложении А, а обширную дополнительную информацию вы найдете на Web-сайте компании Microsoft и в документации к используемой вами среде разработки приложений.

1.3. В Windows в качестве метки конца строки используется последовательность символов "возврат каретки-перевод строки" (CR-LF). Определите, как изменится поведение программы 1.1, если входной файл открывать в двоичном режиме, а выходной - в текстовом, или наоборот. Как это будет проявляться в системе UNIX и в других системах?

1.4. Выполните для каждой из программ хронометраж при копировании файлов большого размера. Получите соответствующие данные для как можно большего числа различных вариантов и сравните полученные результаты между собой. Вряд ли следует подчеркивать, что быстродействие программ зависит от множества факторов, однако, в предположении, что все остальные параметры системы остаются неизменными, сопоставление результатов, полученных с использованием различных вариантов реализации программы, может представлять определенную ценность. Совет. Для облегчения анализа результатов расположите их в виде таблицы. Программа, обеспечивающая количественный контроль длительности временных промежутков, приведе на в главе 6, а некоторые экспериментальные результаты представлены в приложении В.

Примечания:

Тем не менее, в тех местах книги, где речь идет о средствах, неприменимых в Windows 9х, делаются соответствующие оговорки.

Замечания, сделанные в адрес UNIX, в равной степени относятся также к Linux и некоторым другим системам, поддерживающим POSIX API.

Иногда, имея в виду в основном серверы, но не исключая и персональные приложения, говорят о возможной угрозе преобладанию Windows со стороны Linux. Хотя сама по себе эта тема является чрезвычайно интересной, размышления о путях будущего развития систем, не имеющие непосредственного отношения к рассмотрению сравнительных достоинств и недостатков Windows и Linux, выходят за рамки данной книги.

О том, насколько разнообразен круг систем, на которых может быть развернута Windows, говорит хотя бы тот факт, что диапазон компьютеров, использованных для тестирования приведенных в этой книге примеров программ, простирается от давно забытой 486-й модели с 16 Мбайт ОЗУ до четырехпроцессорного (процессоры Xeon с рабочей частотой 2 ГГц) сервера масштаба предприятия, оборудованного ОЗУ емкостью 8 Гбайт.

Протоколы Windows Sockets и RPC не являются частью самой Windows, что не воспрепятствовало описанию сокетов в данной книге, поскольку они самым непосредственным образом укладываются в рамки интересующей нас общей темы и используемого подхода.

Несмотря на аналогию между упомянутыми дескрипторами и дескрипторами HWND и HDC, используемыми при написании программ для Windows GUI, между ними существует ряд отличий.

Такие типы, как PVOID, входят в include-файлы без префикса, но в примерах мы будем придерживаться правил их употребления, принятых во многих книгах и документации Microsoft.

О том, какими быстрыми темпами улучшаются показатели стоимости и производительности, вы можете судить хотя бы по тому факту, что еще в 1997 году в первом издании этой книги автор, без тени смущения или неловкости, в качестве необходимых требований указывал 16 Мбайт ОЗУ и 256 Мбайт свободного места на жестком диске. Для написания настоящего, третьего издания книги используется лэптоп стоимостью менее $1000, с объемом ОЗУ в более чем 10 раз превышающим прежний (что больше ранее требуемого объема дискового пространства), 100-кратной емкостью жесткого диска и 50-кратным превышением быстродействия процессора по сравнению с аналогичными характеристиками компьютера стоимостью $2500, который использовался при подготовке первого издания.

В приложении А показано, как исключить ненужные определения для ускорения компиляции и экономии дискового пространства.

Обратите внимание на то, что логика цикла зависит от принятого в стандарте ANSI С порядка вычисления логических операций "и" (&&) и "или" (||) в направлении слева направо.