Операционные системы среды и оболочки

   Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде, позволяющем сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

   Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода-вывода – это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах); драйверы, которые перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные; драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

   Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость: драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса – от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова устройств. В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова. Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может передать запрос дальше – в измененном или в неизмененном виде – на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

Реализация процессов и потоков операционной системы Windows 2000/XP

Процессы и потоки имеют большее значение и являются более сложными, чем задания и волокна. Процесс создается другим процессом при помощи вызова интерфейса Win32 CreateProcess. Этот вызов обращается (в режиме пользователя) к процедуре в динамической библиотеке kernel32.dll, которая в несколько этапов создает процесс, используя при этом множество системных вызовов и других действий.

Создание потока также состоит из нескольких этапов. Сначала работающий процесс обращается к функции CreateThread, которая вызывает процедуру внутри kernel32.dll. Эта процедура выделяет в вызывающем процессе память для стека режима пользователя, а затем обращается к системному вызову NtCreateThread, чтобы создать объект потока для исполняющей системы, проинициализировать его, а также создать и проинициализировать блок управления потоком. Затем поток начинает работу с собственной инициализации.

Когда создается процесс или поток, исходному процессу возвращается дескриптор, который можно использовать для запуска, остановки, уничтожения и проверки созданного процесса или потока. Владелец дескриптора может передать его другому процессу защищенным способом. Эта техника применяется, чтобы отладчики могли иметь полный контроль над управляемыми ими процессами.

В операционной системе Windows 2000/XP нет центрального потока планирования. Вместо этого, когда какой-либо поток не может более выполняться, этот поток сам переходит в режим ядра и запускает планировщика,чтобы определить, на какой поток переключиться.

Текущий поток выполняет программу планировщика при одном из следующих условий:

1) поток блокируется на семафоре, мьютексе, событии, операции ввода-вывода и т. д;

2) поток сигнализирует каким-либо объектом (например, выполняет операцию up на семафоре);

3) истекает квант времени работающего потока.

В случае 1 поток уже работает в режиме ядра, чтобы выполнить операцию с объектом диспетчера или ввода-вывода. Возможно, он не может продолжать работу, поэтому он должен сохранить свой контекст, запустить программу планировщика, чтобы выбрать своего преемника, и загрузить контекст этого потока, чтобы запустить его.

В случае 2 поток также находится в ядре. Однако после сигнализирования объектом он, определенно, может продолжать работу, так как эта операция никогда не приводит к блокированию. Тем не менее поток должен запустить процедуру планировщика, чтобы посмотреть, нет ли среди готовых к работе потока с более высоким приоритетом. Если такой поток есть, происходит переключение на этот поток, так как операционная система Windows 2000/XP является системой с приоритетным прерыванием (то есть переключение потока может произойти в любой момент, а не только тогда, когда у текущего потока закончится выделенный ему квант времени).

В случае 3 происходит эмулированное прерывание с передачей управления в ядро. При этом поток также запускает процедуру планировщика, чтобы определить, какой поток следует запустить после текущего потока.

Если все остальные потоки в данный момент окажутся заблокированными, планировщик может продолжить выполнение текущего потока, выделив ему новый квант времени. В противном случае происходит переключение потока.

Планировщик также вызывается при еще двух условиях:

1) завершается операция ввода-вывода;

2) истекает ожидание таймера.

В первом случае какой-нибудь поток, возможно, ожидал окончания этой операции ввода-вывода и теперь может продолжить свою работу. Необходимо определить, должен ли этот поток прервать выполнение текущего потока, так как потокам не гарантируется минимальный рабочий интервал времени. Планировщик не запускается во время работы самой процедуры обработки прерываний (так как при этом прерывания могут оказаться запрещенными на слишком долгий срок). Вместо этого отложенный вызов процедуры устанавливается в очередь и выполняется немного позднее, после того как процедура обработки прерываний закончит свою работу. Во втором случае поток выполнил операцию down на семафоре или блокировался на каком-либо другом объекте, но установленное время ожидания истекло. И в этом случае обработчик прерываний должен установить процедуру в очередь, чтобы она не была запущена во время работы обработчика прерываний. Если в результате тайм-аута поток оказался готовым к работе, будет запущен планировщик, и если ничего более важного в данный момент нет, будет выполнен отложенный вызов процедуры.

Теперь рассмотрим сам алгоритм планирования. Интерфейс Win32 API содержит два вызова, предоставляющих процессам возможность влиять на планирование потоками. Алгоритм планирования в значительной степени определяется этими вызовами.

Во-первых, есть вызов SetPriorltyClass, устанавливающий класс приоритета всех потоков вызывающего процесса. К допустимым значениям приоритета относятся: приоритет реального времени, высокий приоритет, приоритет выше нормы, нормальный приоритет, приоритет ниже нормы и неработающий приоритет.

Во-вторых, имеется вызов SetThreadPrlorlty, устанавливающий относительный приоритет некоторого потока (возможно, но не обязательно, потока, обращающегося к этому вызову) по сравнению с другими потоками данного процесса. Приоритет может иметь следующие значения: критичный ко времени приоритет, самый высокий приоритет, приоритет выше нормы, нормальный приоритет, приоритет ниже нормы, самый низкий приоритет и неработающий приоритет. Таким образом, шесть классов процессов и семь классов потоков могут образовать 42 комбинации. Эта информация поступает на вход алгоритма планирования.

Планировщик работает следующим образом. В системе существует 32 уровня приоритета, пронумерованные от 0 до 31. 42 комбинации отображаются на эти 32 приоритета, определяя базовый приоритет потока. Кроме того, у каждого потока есть текущий приоритет, который может быть выше (но не ниже) базового приоритета.

Чтобы использовать эти приоритеты для планирования, система содержит массив из 32 элементов, соответствующих приоритетам от 0 до 31.

Каждый элемент массива указывает на начало списка готовых потоков с соответствующим приоритетом. Базовый алгоритм планирования состоит из процедуры сканирования массива от приоритета 31 до приоритета 0. Как только найден непустой элемент, выбирается поток в начале очереди и запускается на один квант времени. Когда квант истекает, поток направляется в конец очереди своего приоритета, а следующим выбирается поток в начале очереди. Другими словами, когда есть несколько готовых потоков с наивысшим уровнем приоритета, они запускаются поочередно, получая каждый по одному кванту времени. Если готовых потоков нет, запускается бездействующий поток.

Следует отметить, что при планировании не учитывается, какому процессу принадлежит тот или иной поток. То есть планировщик не выбирает сначала процесс, а затем поток в этом процессе. Он смотрит только на потоки. Он даже не знает, какой поток какому процессу принадлежит. На многопроцессорной системе каждый центральный процессор сам занимается планированием своих потоков при помощи массива приоритетов. Чтобы гарантировать, что в каждый момент времени лишь один центральный процессор работает с массивом, используется спин-блокировка.

В системе Windows 2000/XP Professional длительность кванта по умолчанию равна 20 мс; на однопроцессорных серверах его значение равно 120 мс; на многопроцессорных системах используются различные другие варианты в зависимости от частоты процессора. Более короткий квант улучшает работу интерактивных процессов, тогда как более длинный квант снижает количество переключений контекста и тем самым увеличивает производительность. Значения по умолчанию при желании могут быть увеличены в 2, 4 или

6 раз.

Последняя модификация алгоритма планирования заключается в том, что когда окно становится окном переднего плана, все его потоки получают более длительные кванты времени. Величина прибавки интервала времени хранится в системном реестре. Таким образом, поток получает больше процессорного времени, и, соответственно, достигается лучшее обслуживание для окна, перемещенного на передний план.

Файловая система типа NTFS

NTFS обеспечивает комбинацию эффективности, надежности и совместимости, отсутствующую в FAT или HPFS. Она разработана для быстрого выполнения стандартных файловых операций типа чтения, записи и поиска, а также улучшенных операций типа восстановления файловой системы на очень больших жестких дисках.

NTFS также включает возможности безопасности, требуемые для файловых серверов и высококачественных персональных компьютеров в корпоративной среде. NTFS поддерживает управление доступом к данным и привилегии владельца, что является важным для целостности корпоративных данных. В то время как каталогам, разделяемым при помощи Windows NT Server, назначаются специфические разрешения, файлам и каталогам NTFS могут назначаться разрешения вне зависимости, разделены они или нет. NTFS - единственная файловая система в Windows NT, которая позволяет назначить разрешения для отдельных файлов.

NTFS является простой, но очень мощной разработкой. Для этой перспективной файловой системы вся информация на томе NTFS является файлом или частью файла. Каждый распределенный на томе NTFS сектор принадлежит некоторому файлу. Даже метаданные (metadata) файловой системы (информация, которая описывает непосредственно файловую систему) являются частью файла.

Эта основанная на атрибутах файловая система поддерживает объектно-ориентированные приложения, обрабатывая все файлы как объекты, которые имеют определяемые пользователем и системой атрибуты.

Использование Windows NT

Главная файловая таблица

Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле, называемом главной файловой таблицей (MFA - master file table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы для специальной информации. Первая запись этой таблицы описывает непосредственно главную файловую таблицу; за ней следует зеркальная запись (mirror record) MFT. Если первая запись MFT разрушена, то NTFS читает вторую запись для отыскания зеркального файла MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположения сегментов данных MFT и зеркального файла MFT записаны в секторе начальной загрузки. Дубликат сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска.

Третья запись MFT - файл регистрации (log file); используется для восстановления файлов. Файл регистрации подробно описан в настоящей главе ниже. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами (также рассматриваются как файлы NTFS) на томе. На рис. 5.5 показана упрощенная структура MFT.

Рис. 1. Организация главной файловой таблицы

Главная файловая таблица отводит определенное количество пространства дтя каждой записи файла. Атрибуты файла записываются в распределенное пространство MFT. Небольшие файлы и каталоги (обычно до 1500 байт или меньше), типа файла, показанного на рис. 5.6, могут полностью содержать. внутри записи главной файловой таблицы.