深入解析Windows操作系统(Windows Internals) 4th Edition 读书笔记 - 第二章 系统结构 (一)

 

2.1 需求和设计目标

Windows NT的最初需求：

l         32位

l         抢先式

l         可重入

l         支持虚拟内存

l         支持多种硬件体系结构

l         支持多处理器

l         支持分布式计算

l         向后兼容

l         符合政府和业界安全性要求

l         支持UNICODE

从软件需求的角度来说，书中列出的需求属于业务需求的范畴。不知道Windows的功能需求文档有多少页、多少条。

 

Windows NT的设计目标：

l         可扩展性

l         可移植性

l         可靠性

l         健壮性

l         兼容性

l         性能

这些设计目标实际上也是大多数大型软件系统一致的目标。

 

2.2 操作系统模型

 

2.3 总体结构

 

总体结构分为用户模式和内核模式两块。

 

 

 

 

用户模式进程有四类：

l         系统支持进程：如logon进程，会话管理器，它们不属于Windows服务。

l         服务进程：运行Windows服务的进程，如任务调度器和假脱机服务。

l         用户应用程序：可以分为六种类型，包括Windows 32位、Windows 64位、Windows 3.1 16位、MS-DOS 16位、POSIX 32位或OS/2 32位。

l         环境子系统服务器进程：环境子系统是指Windows、POSIX和OS/2，主要是为了兼容其他操作系统。实际上到了Windows XP只有Windows子系统随产品一起发布。

 

关于子系统DLLs：书中对这部分的描述是“子系统DLL的角色是，将一个己文档化的函数转化为一些内部（未文档化的）Windows系统服务调用。”也就是说，应用程序调用的API其实是调用子系统DLL里的函数，子系统DLL再调用Native API函数，最后到达系统服务。关于Native API，第一章里曾经有所提及。

 

内核模式组件：

l         Windows执行体：基本的操作系统服务，如内存管理、进程和线程管理、安全性、I/O、网络和跨进程通信。

l         Windows内核：更低层次的系统功能，如纯种调度、中断和异常分发、多处理器同步。执行体利用这些功能实现更高层次的功能。

l         设备驱动程序：包括硬件设备驱动程序、文件系统、网络驱动程序等。

l         硬件抽象层：隔离与平台相关的硬件差异。

l         窗口和图形系统：实现了GUI函数，如窗口的处理、界面控件、绘制功能等。（Windows的GUI在内核中实现，与Linux系统有所不同。）

 

下表列出了Windows核心组件的文件名：

Filename

Components

Ntoskrnl.exe

Executive and kernel

Ntkrnlpa.exe (32-bit systems only)

Executive and kernel with support for Physical Address Extension (PAE), which allows addressing of up to 64 GB of physical memory

Hal.dll

Hardware abstraction layer

Win32k.sys

Kernel-mode part of the Windows subsystem

Ntdll.dll

Internal support functions and system service dispatch stubs to executive functions

Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll

Core Windows subsystem DLLs

 

可移植性

Windows是如何实现可移植性的，即如何能够运行在不同的硬件体系结构上。实际上，Windows2000只支持x86体系结构，Windows XP和Windows Server 2003增加了三种64位处理器族的支持：Intel Intanium IA-64族、AMD x86-64族、Intel针对x86的64位扩展技术。

Windows通过以下两种方法实现可移植性：

l         分层设计，低层部分负责隔离硬件相关的差异，具体为内核（包含在Ntoskrnl.exe中）和硬件抽象层（HAL，包含在Hal.dll中）。

l         Windows绝大部分代码是用C语言编写，少部分是用C++编写。只有极少数代码是用汇编语言。（什么意思？似乎是想说C语言支持可移植性，因此Windows也支持可移植性。）

 

对称多处理

l         Windows是支持对称多处理的操作系统。

l         对称多处理（SMP）：操作系统和用户线程可以被调度到任何一个处理器上运行。

l         非对称多处理（ASMP）：操作系统选择一个处理器来执行操作系统内核代码，其他的处理器只运行用户代码。

l         由于性能的原因，内核和HAL有多处理器版本和单处理器版本。在安装Windows时，会从安装介质上拷贝相应版本的文件到系统盘。

l         /Windows/Repair/Setup.log中记录了安装过程中哪些文件被拷贝到系统盘。

 

实验：检查正在运行的ntoskrnl版本

l         可以从事件查看器里查看启动日志，ID为6009的事件是启动事件。

l         可以从注册表里查看启动的是否是PAE内核：HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Session Management/PhysicalAddressExtension值为1。

 

可伸缩性

多处理器系统的一个关键问题是可伸缩性（scalability）。Windows的可伸缩性体现在以下方面：

l         能够在任何一个可用的处理器上运行操作系统代码，也可以同时在多个处理器上运行系统代码。

l         单个进程内的多个线程可以在不同的处理器上并行执行。

l         内核内部的细粒度同步。

l         诸如I/O完成端口之类的机制，有助于实现高效的多线程服务器。

 

Windows版本：

Windows 2000客户版本：

Windows 2000 Professional

 

Windows 2000服务器版本：

Windows 2000 Server

Windows 2000 Advanced Server

Windows 2000 Datacenter Server

 

Windows XP 版本：

Home Edition

Professional

Starter Edition

Tablet PC Edition

Media Center Edition

Embedded Edition

 

Windows Server 2003版本：

Windows Server 2003 Web Edition

Standard Edition

Small Business Server

Storage Server

Enterprise Edition

Datacenter Edition

 

客户和服务器版本之间的差异

l         支持的处理器数目不同

l         支持的处理内存不同

l         支持的并行网络连接数量不同

l         服务器版本支持分层服务

 

查询版本信息

l         在注册表里可以查询当前系统类型：HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/ProductOptions键下的ProductType和ProductSuite两个值。

l         应用程序可以调用VerifyVersionInfo函数。

l         设备驱动程序可以调用RtGetVersion函数。

 

客户和服务器版本之间的运行时差异：

默认配置下，服务器对系统吞吐量做了优化，客户版本针对交互式响应做了优化。系统启动时决定的几项资源分配策略也不同，如操作系统堆或池的大小、内部系统辅助线程数量、高速缓存的大小。系统运行时的策略如内存管理、线程调度等也有所不同。

 

检查版本

Windows的检查版本，或称调试版本，是在编译时定义了DBG标志，用于调试和跟踪的条件代码被包含进来，并且代码优化也没有执行。因此，检查版本有利于驱动开发人员调试或系统管理人员跟踪系统信息。

注：检查版本没有提供内核映像(Ntoskrnl.exe)的单处理器版本。