1、操作系統(tǒng)原理Principles of Operating System,2,7.1.1 NT內(nèi)核Windows操作系統(tǒng)的特點(diǎn),NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是開(kāi)放軟件標(biāo)準(zhǔn)和兼容性。兼容性是指該操作系統(tǒng)執(zhí)行其他操作系統(tǒng)環(huán)境下編寫(xiě)程序的能力（包括本系統(tǒng)的早期版本）。NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)支持多操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。包括：MS-DOS、16位Windows、OS/2等。 NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)符合POSIX，提供一個(gè)POSIX應(yīng)用程序的執(zhí)行環(huán)境。POSIX（Portable Operating System Interface for Computing Systems）是面

2、向計(jì)算環(huán)境可移植操作系統(tǒng)接口，POSIX由美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)IEEE和ISO/IEC開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)是基于現(xiàn)有的UNIX實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，描述了操作系統(tǒng)的調(diào)用服務(wù)接口，用于保證編制的應(yīng)用程序可以在源代碼一級(jí)上在多種操作系統(tǒng)上移植運(yùn)行。 NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)可運(yùn)行在多種硬件平臺(tái)，如Intel處理器、MIPS RISC處理器等。NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)采用目前流行的圖形用戶界面和Win32應(yīng)用程序接口子集。,3,NT是32位的多任務(wù)操作系統(tǒng)，克服了DOS的640KB的瓶頸限制。支持對(duì)稱多CPU，支持多線程。 NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)支持多重文件系統(tǒng)與異步I/O以及采用面向

3、對(duì)象的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。多重文件系統(tǒng)包括：MS-DOS的FAT16/32、OS/2的高性能文件系統(tǒng)HPFS、CDFS、NTFS。NTFS支持大容量外存。 NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)功能，支持分布式計(jì)算和互操作性。NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)采用先進(jìn)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，客戶/服務(wù)器模式、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、對(duì)象模型等。 安全可靠，安全性達(dá)到美國(guó)政府C2級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。,4,NT內(nèi)核操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)。NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)，但層次間的界線并不那么清晰，有許多模塊實(shí)際上跨越了兩個(gè)或多個(gè)層次。 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。 在NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)中采用了兩種客戶/服務(wù)器模式。 網(wǎng)

4、絡(luò)環(huán)境下的C/S模式?？蛻糁饕邱v留在網(wǎng)絡(luò)工作站中，而服務(wù)器程序則駐留在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。 本地機(jī)環(huán)境下的C/S模式，NT內(nèi)核可分成兩部分，一部分是用于提供各種服務(wù)的一組服務(wù)器進(jìn)程；另一部分是內(nèi)核，它用于處理客戶和服務(wù)器之間的通信。 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)還引入了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，即在NT內(nèi)核核心程序的下面有一個(gè)緊湊的微內(nèi)核，對(duì)象模型 面向?qū)ο螅∣bject）技術(shù)是基于“抽象”和“隱蔽”原則來(lái)控制大型軟件的復(fù)雜度的。所謂的對(duì)象，是指在現(xiàn)實(shí)世界里具有相同屬性、服從相同規(guī)則的一系列事物的抽象?！半[蔽”是指利用被封裝的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組對(duì)它操作的過(guò)程（函數(shù)），來(lái)表示系統(tǒng)中的某個(gè)對(duì)象。NT內(nèi)核W

5、INDOWS操作系統(tǒng)將所有的資源都看成對(duì)象，NT內(nèi)核的服務(wù)大部分是對(duì)象服務(wù)。,5,7.2 NT內(nèi)核Windows操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),6,1.用戶態(tài)進(jìn)程的類型 如圖7-1所示，用戶態(tài)進(jìn)程有四種基本類型： 系統(tǒng)支持進(jìn)程，如登陸進(jìn)程Winlogin。 服務(wù)進(jìn)程，如事件日志服務(wù)。 用戶應(yīng)用程序，它們是Win32、16位Windows、MS-DOS、OS/2或POSIX五種應(yīng)用程序之一。 環(huán)境子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)提供以下幾種運(yùn)行環(huán)境：Win32、OS/2和POSIX、16位Windows、MS-DOS。 服務(wù)進(jìn)程和用戶應(yīng)用程序是不能直接調(diào)用操作系統(tǒng)核心服務(wù)，

6、必須通過(guò)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（subsystem DLL）和系統(tǒng)交互。子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的作用是將文檔化函數(shù)轉(zhuǎn)換為Windows XP/Server 2003內(nèi)部系統(tǒng)調(diào)用。,7,2.核心態(tài)組件 如圖7-1所示，核心態(tài)組件包括以下內(nèi)容： 內(nèi)核（kernel），它包含最低層操作系統(tǒng)的功能，如線程調(diào)度，中斷和異常處理，多處理機(jī)同步等。 執(zhí)行體（Executive），它包含基本操作系統(tǒng)服務(wù)，如進(jìn)程和線程管理器，虛擬存儲(chǔ)器、對(duì)象管理器、安全監(jiān)視器、本地過(guò)程調(diào)用等。 硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer），HAL將內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、執(zhí)行體同硬件分隔開(kāi)來(lái)，以適應(yīng)多種硬件平臺(tái)。

7、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（device drivers），它包括文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂脩舻腎/O函數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)換為對(duì)特定硬件的I/O請(qǐng)求。 圖形引擎，它包括實(shí)現(xiàn)圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI）的基本函數(shù)。,8,圖形引擎 圖形引擎包括實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)備接口（Graphical Device Interface，GDI）的基本函數(shù)，包括線條、文本、繪圖和圖形操作函數(shù)。應(yīng)用程序調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的USER函數(shù)在顯示器上創(chuàng)建窗口和按鈕，窗口管理器傳遞這些請(qǐng)求到GDI，GDI再將這些請(qǐng)求傳送給圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在這里將按照顯示設(shè)備的要求將其規(guī)格化。顯示驅(qū)動(dòng)程序與視頻小型

8、端口驅(qū)動(dòng)程序相配合來(lái)完成對(duì)視頻顯示的支持。每個(gè)視頻小型端口驅(qū)動(dòng)程序都對(duì)與之相關(guān)的顯示驅(qū)動(dòng)程序提供硬件級(jí)支持。 GDI提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，它使得應(yīng)用程序可以同圖形設(shè)備通信而不必知道關(guān)于這些設(shè)備的任何事情。GDI的各種函數(shù)在應(yīng)用程序與圖形設(shè)備之間起協(xié)調(diào)作用。GDI解釋?xiě)?yīng)用程序?qū)D形輸出的要求，并把它們發(fā)送到圖形顯示驅(qū)動(dòng)程序。GDI也能夠?yàn)閼?yīng)用程序提供使用不同圖形輸出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，這個(gè)接口可以讓?xiě)?yīng)用程序代碼獨(dú)立于硬件設(shè)備和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。,9,環(huán)境子系統(tǒng) 環(huán)境子系統(tǒng)（Environment Subsystems）是一個(gè)用戶態(tài)服務(wù)器，為特定的操作系統(tǒng)提供一個(gè)API。如Win32子系統(tǒng)、16位Wi

9、ndows環(huán)境子系統(tǒng)、MS-DOS環(huán)境子系統(tǒng)、OS/2環(huán)境子系統(tǒng)，POSIX環(huán)境子系統(tǒng)。Win32是唯一可見(jiàn)的環(huán)境子系統(tǒng)，用戶可以透明地運(yùn)行Win32、16位Windows、MS-DOS、OS/2和POSIX程序，給用戶的感覺(jué)是NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)可以運(yùn)行幾乎所有的應(yīng)用程序。 Win32子系統(tǒng)主要部件： Win32子系統(tǒng)進(jìn)程CSRSS。 一些函數(shù)，如Gettempfile、Definedosdevice、ExitWindowsFx和幾種自然語(yǔ)言支持函數(shù)。 核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Win32k.sys。包括窗口管理器控制窗口顯示，管理屏幕輸出。 子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(如User32.dll、Ad

10、vapl32.dll、Gdi32.dll和Kernel32.d11)，它調(diào)用Ntoskrnl.exe和Win32.sys將文檔化的Win32APl函數(shù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆俏臋n化的核心系統(tǒng)服務(wù)。 圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，包括依賴于硬件的圖形顯示驅(qū)動(dòng)程序、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和視頻小型端口驅(qū)動(dòng)程序。,10,硬件抽象層HAL 硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）將內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、執(zhí)行體同硬件分隔，HAL隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，如I/O接口、中斷控制器、多處理機(jī)通信機(jī)制和依賴于硬件平臺(tái)的函數(shù)等。HAL是NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)在多種硬件平臺(tái)可移植性成為可能的關(guān)鍵技術(shù)。 W

11、indows NT系列操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的方面就是在多種硬件平臺(tái)上的可移植性，硬件抽象層(HAL)就是使這種可移植性成為可能的關(guān)鍵部分。HAL是一個(gè)可加載的核心態(tài)模塊Hal.dll，它為運(yùn)行在Windows NT/XP上的硬件提供低級(jí)接口。HAL隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，例如I/O接口、中斷控制器以及多處理機(jī)通信機(jī)制等任何體系結(jié)構(gòu)專用的和依賴于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的函數(shù)。 HAL是一個(gè)軟件層，用來(lái)為操作系統(tǒng)的上層隱藏硬件差異，以提高Windows NT系列操作系統(tǒng)的可移植性。HAL有一虛擬機(jī)接口，可為內(nèi)核調(diào)度程序、可執(zhí)行體和設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序所使用。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需要一個(gè)版本，

12、即它可運(yùn)行于各種硬件平臺(tái)，而無(wú)需移植驅(qū)動(dòng)程序。HAL也支持對(duì)稱多重處理。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序映射設(shè)備并直接訪問(wèn)它們，但是映射內(nèi)存的管理、配置I/O總線、設(shè)置DMA和處理母板等有關(guān)細(xì)節(jié)，都是由HAL接口提供的。,11,7.3.1 NT對(duì)象與句柄,1.對(duì)象 對(duì)象（Object）是一個(gè)廣義資源的概念，是一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)中用以表示所有的資源。對(duì)象是基于“抽象”和“隱蔽”原則來(lái)定義的，所謂的對(duì)象，是指在現(xiàn)實(shí)世界里具有相同屬性、服從相同規(guī)則的一系列事物的抽象。用“隱蔽”原則定義，對(duì)象是數(shù)據(jù)和一組對(duì)它操作的過(guò)程（函數(shù)）的封裝體，對(duì)象包括數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的屬性和一組對(duì)它操作的過(guò)程（函數(shù)）

13、等三個(gè)成分。 NT內(nèi)核中的各類實(shí)體如進(jìn)程、線程、消息、存儲(chǔ)器等，使用對(duì)象這一概念，相應(yīng)地便有進(jìn)程對(duì)象、線程對(duì)象、存儲(chǔ)器對(duì)象等。NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)將所有的資源都看成對(duì)象，NT內(nèi)核的服務(wù)大部分是對(duì)象服務(wù)，NT內(nèi)核WINDOWS操作系統(tǒng)訪問(wèn)和操縱其資源是一致的。通過(guò)對(duì)象句柄(Handle)，所有對(duì)象采用同樣的保護(hù)方法，因此簡(jiǎn)化了安全措施。 對(duì)象有兩個(gè)部分，即對(duì)象頭和對(duì)象體。對(duì)象頭包含如下信息：對(duì)象名、對(duì)象目錄、安全描述體、配額、打開(kāi)句柄計(jì)數(shù)器、打開(kāi)句柄數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)核/用戶態(tài)、對(duì)象類型指針等。對(duì)象體的格式和內(nèi)容隨對(duì)象類而不同，對(duì)象體中列出對(duì)象類的屬性。,12,2.句柄 Windows通過(guò)句柄

14、識(shí)別每個(gè)窗體、控件、菜單和菜單項(xiàng)，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí),它所包含的每個(gè)部件都有一個(gè)惟一的句柄同其他的部件相區(qū)別，句柄在Windows API中具有舉足輕重的作用。句柄是Windows用來(lái)標(biāo)識(shí)由應(yīng)用程序所建立和使用的對(duì)象的唯一整數(shù)（32位），Windows使用各種各樣的句柄標(biāo)識(shí)諸如應(yīng)用程序?qū)嵗?、窗口、控制、位圖和GDI對(duì)象等等。句柄是一個(gè)標(biāo)識(shí)符，是拿來(lái)標(biāo)識(shí)對(duì)象或者項(xiàng)目的。從數(shù)據(jù)類型上來(lái)看它只是一個(gè)32位的無(wú)符號(hào)整數(shù)。應(yīng)用程序幾乎總是通過(guò)調(diào)用一個(gè)Windows函數(shù)來(lái)獲得一個(gè)句柄，之后其他的Windows函數(shù)就可以使用該句柄，以引用相應(yīng)的對(duì)象。在Windows編程中會(huì)用到大量的句柄，比如：HINSTANCE

15、（實(shí)例）、HWND（窗口）、HMENU（菜單）、HCURSOR（光標(biāo)）、HPEN（畫(huà)筆）、HFILE（文件）、HFONT（字體）、HBITMAP（位圖）、HDC（設(shè)備描述表）、HICON（圖標(biāo)）等等。,13,NT線程狀態(tài),就緒(ready)狀態(tài)。線程已具備執(zhí)行的條件，等待CPU調(diào)度。調(diào)度程序從就緒隊(duì)列中選中的線程進(jìn)入備用狀態(tài)。 備用(standby)狀態(tài)，處于備用狀態(tài)的線程已被指定為某一個(gè)CPU下的一個(gè)執(zhí)行對(duì)象。正進(jìn)行描述表切換，以進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。系統(tǒng)中每個(gè)處理機(jī)上只能有一個(gè)處于備用狀態(tài)的線程。 執(zhí)行(running)狀態(tài)，已完成描述表切換，線程進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。直到出現(xiàn)被搶先、時(shí)間片用完、線程終止

16、或進(jìn)入等待狀態(tài)的情況為止。 等待(waiting)狀態(tài)，線程正等待某事件。當(dāng)?shù)却录霈F(xiàn)時(shí)，等待結(jié)束，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)入執(zhí)行或就緒狀態(tài)。以下情況線程進(jìn)入等待狀態(tài)：線程等待同步對(duì)象，線程等待I/O，環(huán)境子系統(tǒng)導(dǎo)致線程將自己掛起。 轉(zhuǎn)換(transition)狀態(tài)，線程已結(jié)束等待狀態(tài)，但線程的內(nèi)核堆棧位于外存。當(dāng)線程等待事件出現(xiàn)而它的內(nèi)核堆棧處于外存時(shí)，線程進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)。當(dāng)線程內(nèi)核堆棧被調(diào)回內(nèi)存時(shí)，線程進(jìn)入待調(diào)度就緒狀態(tài)。 終止?fàn)顟B(tài)(Terminated)：線程執(zhí)行完畢就進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。一旦終止，由對(duì)象管理器來(lái)決定線程對(duì)象是否被刪除，如果執(zhí)行體有一指向線程對(duì)象的指針，它便可以將線程對(duì)象重新初始化，并再

17、次使用它。 初始化狀態(tài)(Initialized)：線程創(chuàng)建過(guò)程中的線程狀態(tài)。,14,7.4.4 NT線程調(diào)度算法 NT內(nèi)核Windows操作系統(tǒng)線程調(diào)度算法采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)多級(jí)調(diào)度隊(duì)列算法，每個(gè)線程有一個(gè)不高于進(jìn)程基本優(yōu)先級(jí)兩級(jí)，不低于基本優(yōu)先級(jí)兩級(jí)范圍為內(nèi)的基本執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，每個(gè)線程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)以線程的基本優(yōu)先級(jí)為初始值，隨著進(jìn)程所做的工作類型的不同而向上浮動(dòng)。 NT是個(gè)搶先多任務(wù)方式的操作系統(tǒng)，如果一個(gè)較高優(yōu)先級(jí)線程由就緒狀態(tài)變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài)時(shí)，內(nèi)核將中斷或搶先其他線程的執(zhí)行，被搶奪的線程將被給予照顧，放在所在優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的第一個(gè)。,15,NTFS概述,NTFS的技術(shù)特點(diǎn)如下： 兼容性和可擴(kuò)充性 支

18、持多個(gè)不同類型的文件系統(tǒng)，包括NTFS、DOS的FAT、OS/2的HPFS、CDFS等，支持符號(hào)連接，支持文件系統(tǒng)類型之間的聯(lián)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。例如，可以將HPFS或FAT分區(qū)上文件系統(tǒng)改為NTFS格式。 可恢復(fù)性、可靠性和安全性 為了確保文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，滿足可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)的需求，NTFS提供了基于原子事務(wù)(atomic transaction)概念的文件系統(tǒng)可恢復(fù)性。 NTFS對(duì)關(guān)鍵文件系統(tǒng)信息還采用了冗余存儲(chǔ)。這樣，即使磁盤(pán)上的某個(gè)扇區(qū)損壞，NTFS仍可以訪問(wèn)卷上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這種磁盤(pán)上文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的冗余存儲(chǔ)與FAT和HPFS是不一樣的，后者在磁盤(pán)上只有單個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此如果不能讀取這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，則整個(gè)卷的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。 為了保護(hù)敏感數(shù)據(jù)免受非法訪問(wèn)，文件系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)綜合的安全模型。NTFS的安全性直接來(lái)源于NT的對(duì)象模型，NTFS的基本思想是把文件和目錄看成是對(duì)象和對(duì)象的集合。目錄的內(nèi)容不必受到下層的文件系統(tǒng)存儲(chǔ)機(jī)制的束縛，可以把它們作為獨(dú)立的實(shí)體來(lái)訪問(wèn)與復(fù)制。文件和目錄對(duì)象都帶有安全描述子，這些描述子作為該文件的一部分存儲(chǔ)在磁盤(pán)上。進(jìn)程在打開(kāi)任何文件對(duì)象的句柄前，NT安全系統(tǒng)都驗(yàn)證該進(jìn)程是否具有足夠的權(quán)限。安全描述子和用戶登錄到系統(tǒng)并提供識(shí)別的密碼結(jié)合起來(lái)共同確定了該進(jìn)程的權(quán)限，從而保證了除非有管理員或文件擁有者的授權(quán)，否則無(wú)法訪問(wèn)文件。此外，NT