内核术语--服务，函数，Routine，进程，线程，作业，Fiber，虚拟内存

Windows API

Windows API 是用户模式下的编程接口，在64位Windows 出来之前，32位Windows上的Windows API 叫做Win32 API，主要是与原来的16位Windows上的 API区分。

Windows API 包括上千个函数，主要分为以下几部分：

• 基础服务
• 组件服务
• 用户接口服务
• 图形和多媒体服务
• 消息和协作
• 网络
• WEB服务

具体的书可以参考《Windows Via C++》。

.NET

.NET Framework包括一个叫做FCL（Framework Class Library）的类库和一个提供托管代码运行环境的CLR（Common Language Runtime）组成。

CLR支持JIT（即时编译），类型验证，垃圾回收，代码访问安全等功能。

所有的.NET组件都是在非托管的Windows API层之上的用户模式的Windows DLL，没有任何.NET代码支行在内核模式。

具体的书可以参考《CLR Via C#》。

服务，函数，Routines

• 本地系统服务（或者叫做系统调用）：用户模式下可调用的服务，比如NtCreateUserProcess，用来创建一个进程。
• 内核支撑函数（或者叫做routines）：内核模式下可调用的子程序，比如ExAllocatePoolWithTag，驱动用来从堆（内存池）中申请内存。
• Windows服务：由Windows服务控制管理器启动的进程。
• DLL：一组可以被动态链接并加载的程序，例如Msvcrt.dll, Kernel32.dll。优点是多个程序调用一个DLL，Windows只需要一份DLL的内存。.NET也可以编译DLL但不会导出任何函数，CLR将编译后的元数据解析成可访问的相应的类型和成员。

进程，线程，作业

程序和进程很像，但本质上是不同的。一个程序是一串静态的指令，而进程只是一组资源的容器，用于执行程序的实例。

进程包括：

• 一个虚拟地址空间，也就是进程可用的虚拟内存地址。
• 一个可执行程序，定义了初始化代码和数据，并映射到进程的虚拟地址空间中。
• 一些系统资源的句柄，例如 信号量，通信端口，文件，这些资源可以被进程内所有线程共用。
• 一个叫做访问令牌的安全上下文，用来识别用户，安全组，权限，用户账号控制（UAC）的虚拟化状态，session，以及用户账号相关的状态。
• 一个唯一的进程ID。
• 至少一个执行的线程，虽然也可以没有任何线程，但没有意义。

每个进程有一个指针指向其余进程或创建这个进程的进程，如果父进程不存在了，这个指针也不会更新。也就是说，可能会指向一个不存在的父进程。

这倒也无所谓，因为没啥依赖的数据，可以用系统自带的任务管理器查看进程信息，

也可以用第三方的进程浏览器来查看，此工具相当强大，下载地址：http://download.sysinternals.com/files/ProcessExplorer.zip

可以查看的内容包括：

• 进程安全令牌。
• 高亮进程和线程的变化。
• 列出服务宿主中的服务。
• 作业中的进程。
• .NET程序的宿主的细节，比如AppDomain，加载的DLL，性能。
• 进程和线程的启动时间。
• 完整的内存映射列表。
• 挂起线程或进程。
• 杀死一个线程。
• 检测占用CPU时间较多的进程。
• 进程树。
• 打开进程的句柄。
• 进程中加载的DLL。
• 进程中的活跃线程。
• 用户模式和内核模式的线程栈。
• CPU使用率。
• 峰值内存量。

线程是进程中可被Windows调度的执行实体，没有线程程序就不会运行。线程包括以下一些基本的组件：

• 一些代表CPU状态的内容。
• 两个栈，分别用在内核模式和用户模式下。
• 一个叫做TLS（thread-local storage ）的私有存储区，各子系统，运行时库和DLL都会用到。
• 一个唯一的线程ID，不会与进程ID相同。
• 线程有时也有自己的安全上下文，或令牌，常用在多线程服务端程序模拟客户端安全上下文的时候。

可变的寄存器，栈，私有存储区都叫做线程的上下文。因为这些信息在不同的机器架构下是不同的。可以用GetThreadContext()函数访问。

虽然线程有自己的执行上下文，但进程中的所有线程都共享进程的虚拟地址空间（除了属于进程的资源）。意味着所有线程都可以的读-写进程的虚拟地址空间。

线程不可能引用其他进程的地址空间，但是，如果其他进程将其私有地址空间标记为共享内存段（在Windows API中叫做文件映射对象），或者进程有权限打开其他进程的的跨进程内存，例如用ReadProcessMemory 和WriteProcessMemory函数。

除了私有地址空间和线程，进程里还有安全上下文和一些内核对象的句柄，比如共享内存段，同步对象（如互斥量，事件，信号量）。

进程的安全上下文文件存储在叫做“访问令牌”（access token）的对象里，访问信息包括安全识别信息和凭证。默认情况下线程没有访问令牌，但是线程可以有，线程可以模拟其他进程的安全上下文，包括远程系统的进程。

VAD（虚拟地址描述符）是内存管理器用来维护虚拟地址空间的数据结构。

如下图所示：

Windows 提供了一个进程模型的扩展，叫做作业（Job），job的主要功能是将一组进程作为一个单元进行管理。

job对象允许对进程的某些特定属性进行控制，也记录了一些基本的信息，包括已经终止了的进程。job对象填补了进程结构化的空缺。

Fibers（有的翻译成纤程，个人觉得这么翻译容易混淆概念）与UMS

因为在线程间的切换换需要引入内核调度，所以这是很费资源的操作。尤其是在两个频繁转换的线程中切换。Windows提供了两个机制用来减少资源的消耗，分别是：

• Fibers
• UMS（用户模式线程调度）

Fibers允许程序自己调度自己的线程而不用依赖于线程的优先级机制。

Fibers也叫做轻量级线程，它们在用户模式中的Kernel32.dll中实现，所以他们对于内核是不可见的。

要使用Fibers，首先调用 ConvertThreadToFiber() 函数将线程转换成Fiber。然后这个Fiber可以用CreateFiber() 创建新的Fiber，每个Fiber可以有自己的一组Fiber。

不像线程，Fiber不会自动执行，直到手动调用SwitchToFiber()才开始执行。

UMS线程是64位Windows专属的，与Fiber的优点相同，但没什么缺点。

UMS线程有自己的内核线程状态且内核可见，允许多个UMS线程阻塞系统调用，共享和竞争资源。

然而，两个以上的UMS线程只需要在用户模式下，可以不用内核调度就定期转换执行上下文。

虚拟内存

Windows实现了一个基于线性地址的虚拟内存系统，为每个进程提供一个幻觉，让其觉得自己有很大的可用内存空间。

虚拟内存提供了一个对于物理内存的逻辑视图，但可能与物理内存的布局不一致。运行时，内存管理器在硬件，翻译，映射的帮助下，将虚拟地址映射到物理地址。

为了保护数据，操作系统保证每个进程不会越界访问到其他进程的数据，下图表示3块连续的虚拟内存页映射到不连续的3块物理内存页。

因为大多数系统都的物理内存都小于进程使用的虚拟内存，内存管理器会将数据存储到硬盘上。

当线程访问分布到硬盘上的虚拟地址时，虚拟内存管理器再将其加载回内存。

虚拟内存空间的大小在不同平台上也不一样，在32位x86系统上，最大4GB，默认下系统用2G，用户模式用2G。

也可以通过配置BIOS让用户模式用3GB，系统用1GB。

如果3GB还不够用，Windows提供了一个叫做AWE（Address Windows Extension）的机制，允许32位应用程序申请最大64GB的物理内存映射到2GB的虚拟内存空间中。

虽然用AWE将管理内存映射的负担压在了码农身上，但是它提供了更多福利。

64位Windows提供了更大的地址空间，IA64位可以用7152GB，X64可以用8192GB。 64位地址空间大于170亿GB，但是硬盘限制了。