Компоненти режиму користувача

Компоненти режиму користувача не мають прямого доступу до апаратного забезпечення, їхній код виконується в ізольованому адресному просторі. Більша частина коду режиму користувача перебуває в динамічних бібліотеках, які у Windows називають DLL (dynamic-link libraries).

Бібліотека системного інтерфейсу

Для доступу до засобів режиму ядра в режимі користувача необхідно звертатися до функцій бібліотеки системного інтерфейсу (ntdll.dll). Ця бібліотека надає набір функцій-перехідників, кожній з яких відповідає функція режиму ядра (системний виклик). Застосування зазвичай не викликають такі функції безпосередньо, за це відповідають підсистеми середовища.

Підсистеми середовища

Підсистеми середовища надають застосуванням користувача доступ до служб операційної системи, реалізуючи відповідний API. Ми зупинимося на двох підсистемах середовища: Win32 і POSIX.

Підсистема Win32, яка реалізує Win32 API, є обов'язковим компонентом Win­dows ХР. До неї входять такі компоненти:

♦ процес підсистеми Win32 (csrss.exe), що відповідає, зокрема, за реалізацію текстового (консольного) введення-виведення, створення і знищення процесів та потоків;

♦ бібліотеки підсистеми Win32, які надають прикладним програмам функції Win32 API. Найчастіше використовують бібліотеки gdi32.dll (низькорівневі графічні функції, незалежні від пристрою), user32.dll (функції інтерфейсу користувача) і kernel32.dll (функції, реалізовані у ВС і ядрі).

Після того як застосування звернеться до функції Win32 API, спочатку буде викликана відповідна функція з бібліотеки підсистеми Win32. Розглянемо варіанти виконання такого виклику.

1. Якщо функції потрібні тільки ресурси її бібліотеки, виклик повністю виконується в адресному просторі застосування без переходу в режим ядра.

2. Якщо потрібен перехід у режим ядра, з коду бібліотеки підсистеми виконується системний виклик. Так відбувається у більшості випадків, наприклад під час створення вікон або елементів керування.

3. Функція бібліотеки підсистеми може звернутися до процесу підсистеми Win32, при цьому:

· коли потрібна тільки функціональність, реалізована даним процесом, переходу в режим ядра не відбувається;

· коли потрібна функціональність режиму ядра, процес підсистеми Win32 виконує системний виклик аналогічно до варіанта 2.

Зазначимо, що до виходу Windows NT 4.0 (1996 рік) віконна і графічна підсистеми працювали в режимі користувача як частина процесу підсистеми Win32 (тобто виклики базових графічних функцій Win32 API оброблялися відповідно до варіанта 3). Надалі для підвищення продуктивності реалізацію цих підсистем було перенесено в режим ядра [14].

Підсистема POSIX працює в режимі користувача й реалізує набір функцій, визначених стандартом POSIX 1003.1. Оскільки застосування, або прикладні програми (applications), написані для однієї підсистеми, не можуть використати функції інших, у POSIX-програмах не можна користуватися засобами Win32 API (зокрема, графічними та мережними функціями), що знижує важливість цієї підсистеми. Підсистема POSIX не є обов'язковим компонентом Windows XP.

 

Наперед визначені системні процеси

Ряд важливих процесів користувача система запускає автоматично до закінчення завантаження. Розглянемо деякі з них.

♦ Менеджер сесій (Session Manager, smss.exe) створюється в системі першим. Він запускає інші важливі процеси (процес підсистеми Win32, процес реєстрації в системі тощо), а також відповідає за їхнє повторне виконання під час аварійного завершення.

♦ Процес реєстрації в системі (winlogon.exe) відповідає за допуск користувача в систему. Він відображає діалогове вікно для введення пароля, після введення передає пароль у підсистему безпеки і в разі успішної його верифікації запускає засоби створення сесії користувача.

♦ Менеджер керування службами (Service Control Manager, services.exe) відповідає за автоматичне виконання певних застосувань під час завантаження системи. Застосування, які будуть виконані при цьому, називають службами (services). Такі служби, як журнал подій, планувальник задач, менеджер друкування, постачають разом із системою. Крім того, є багато служб сторонніх розробників; так зазвичай реалізовують серверні застосування (сервери баз даних, веб-сервери тощо).

 

Застосування користувача

Застосування користувача можуть бути створені для різних підсистем середовища. Такі застосування використовують тільки функції відповідного API. Виклики цих функцій перетворюються в системні виклики за допомогою динамічних бібліотек підсистем середовища.

 

Об'єктна архітектура Windows XP

Керування ресурсами у Windows XP реалізується із застосуванням концепції об'єктів. Об'єкти надають універсальний інтерфейс для доступу до системних ресурсів, для яких передбачено спільне використання, зокрема таких, як процеси, потоки, файли і розподілювана пам'ять. Концепція об'єктів забезпечує важливі переваги.

· Імена об'єктів організовані в єдиний простір імен, де їх легко знаходити.

· Доступ до всіх об'єктів здійснюється однаково. Після створення нового об'єкта або після отримання доступу до наявного менеджер об'єктів повертає у застосування дескриптор об'єкта (object handle).

· Забезпечено захист ресурсів. Кожну спробу доступу до об'єкта розглядає підсистема захисту - без неї доступ до об'єкта, а отже і до ресурсу, отримати неможливо.

Менеджер об'єктів відповідає за створення, підтримку та ліквідацію об'єктів, задає єдині правила для їхнього іменування, збереження й забезпечення захисту. Підсистеми середовища звертаються до менеджера об'єктів безпосередньо або через інші сервіси ВС. Наприклад, під час запуску застосування підсистема Win32 викликає менеджер процесів для створення нового процесу. В свою чергу менеджер процесів звертається до менеджера об'єктів для створення об'єкта, що представляє процес.

Об'єкти реалізовано як структури даних в адресному просторі ядра. При пере-завантаженні системи вміст усіх об'єктів губиться.

Особливості отримання доступу до об'єктів із процесів режиму користувача буде розглянуто в розділі 3.

 

Структура заголовка об'єкта

Об'єкти складаються з двох частин: заголовка і тіла об'єкта. У заголовку міститься інформація, загальна для всіх об'єктів, у тілі - специфічна для об'єктів конкретного типу.

До атрибутів заголовка об'єкта належать:

· ім'я об'єкта і його місце у просторі імен;

· дескриптор захисту (визначає права, необхідні для використання об'єкта);

· витрата квоти (ціна відкриття дескриптора об'єкта, дає змогу регулювати кількість об'єктів, які дозволено створювати);

· список процесів, що дістали доступ до дескрипторів об'єкта.

Менеджер об'єктів здійснює керування об'єктами на підставі інформації з їхніх заголовків.

 

Об'єкти типу

формат і вміст тіла об'єкта визначається його типом. Новий тип об'єктів може бути визначений будь-яким компонентом ВС. Існує визначений набір типів об'єктів, які створюються під час завантаження системи (такі об'єкти, наприклад, відповідають процесам, відкритим файлам, пристроям введення-виведення).

Частина характеристик об'єктів є загальними для всіх об'єктів цього типу. Для зберігання відомостей про такі характеристики використовують спеціальні об'єкти типу (type objects). У такому об'єкті, зокрема, зберігають:

· ім'я типу об'єкта («процес», «потік», «відкритий файл» тощо);

· режими доступу (залежать від типу об'єкта: наприклад, для файла такими режимами можуть бути «читання» і «запис»).

Об'єкти типу недоступні в режимі користувача.

Методи об'єктів

Коли компонент ВС створює новий тип об'єкта, він може зареєструвати у диспетчері об'єктів один або кілька методів. Після цього диспетчер об'єктів викликає ці методи на певних етапах життєвого циклу об'єкта. Наведемо деякі з методів об'єктів:

· open - викликається при відкритті дескриптора об'єкта;

· сlose — викликається при закритті дескриптора об'єкта;

· delete - викликається перед вилученням об'єкта з пам'яті. Покажчики на код реалізації методів також зберігаються в об'єктах типу.

 

Простір імен об'єктів

Усі імена об'єктів у ВС розташовані в глобальному просторі імен, тому будь-який процес може відкрити дескриптор об'єкта, вказавши його ім'я. Простір імен об'єктів має ієрархічну структуру, подібно до файлової системи. Аналогом каталогу файлової системи в такому просторі імен є каталог об'єктів. Він містить імена об'єктів (зокрема й інших каталогів). Перелічимо деякі наперед визначені імена каталогів:

· Device - імена пристроїв введення-виведення;

· Driver — завантажені драйвери пристроїв;

· Object Types — об'єкти типів.

Простір імен об'єктів, як і окремі об'єкти, не зберігається після перезавантаження системи.

 

 

Розділ 3