Загрузка Windows 2000

Прежде чем операционная система Windows 2000 сможет начать работу, она долж­на загрузиться. Процесс загрузки создает начальные процессы. С точки зрения аппаратного обеспечения, процесс загрузки состоит из чтения первого сек­тора первого диска (главной загрузочной записи), после чего управление передается прочитанной програм­ме. Эта короткая программа на ассемблере считывает таблицу разделов, что­бы определить, в каком разделе содержится загружаемая операционная система. Найдя раздел с операционной системой, начальный загрузчик считывает первый сектор этого раздела, называемый загрузочным сектором, и передает управление ему. Программа, содержащаяся в загрузочном секторе, считывает корневой ката­лог своего дискового раздела, находит в нем файл ntldr. Если этот файл удается найти, он загружается в память и ему передается управление. Программа ntldr загружает операционную систему Windows 2000. Существует не­сколько версий загрузочного сектора в зависимости от формата раздела (FAT-16, FAT-32 или NTFS). При установке Windows 2000 на диск записываются соответ­ствующие версии главной загрузочной записи и загрузочного сектора.

Затем программа ntldr считывает файл Boot.ini, представляющий собой един­ственный файл с информацией о конфигурации, не содержащейся в реестре. Он хранит в себе списки всех версий файлов hal.dll и ntoskernl.exe, которые могут быть загружены с данного раздела диска. В этом файле также содержатся такие пара­метры, как количество центральных процессоров и оперативной памяти, сколько памяти отводить процессу пользователя (2 или 3 Гбайт), а также на какой часто­те работают часы реального времени. Затем программа ntldr выбирает и загру­жает файлы hal.dll и ntoskernl.exe, а также файл bootvid.dll, представляющий собой видеодрайвер по умолчанию. Он обеспечивает вывод на дисплей во время процес­са загрузки. После этого программа ntldr считывает реестр, чтобы найти драйверы, необходимые для завершения загрузки (например, драйверы клавиатуры и мыши, а также десятки других драйверов, требуемых для управления различными микро­схемами на материнской плате). Наконец, загрузчик считывает все эти драйверы и передает управление программе ntoskernl.exe.

После запуска операционная система выполняет некоторые общие процедуры инициализации, а затем вызывает компоненты исполняющей системы, чтобы те также выполнили собственную инициализацию. Например, менеджер объектов подготавливает свое пространство имен, чтобы другие компоненты могли обра­щаться к нему и добавлять свои объекты в пространство имен. Многие компонен­ты также выполняют определенные действия, относящиеся к их функциям. В частности, менеджер памяти настраивает начальные таблицы страниц, а менеджер plug-and-play определяет, какие устройства ввода-вывода присутствуют, и загружает их драйверы. Вся загрузка состоит из десятков этапов, в течение которых на экране отображается полоса прогресса, растущая по мере выполнения очередных этапов. Последний этап заключается в создании первого настоящего пользовательского процесса – сеансового менеджера smss.exe. Как только этот процесс начинает рабо­ту, загрузка считается законченной.

Сеансовый менеджер представляет собой «родной» процесс операционной системы Windows 2000. Он обращается к истинным системным вызовам и не пользуется вызовами подсистемы окружения Win32, которая в тот момент еще даже не работает. Одной из его первоочередных обязанностей является запуск этой подсистемы (csrss.exe). Он также считывает с диска ульи реестра и узнает из них, что еще он должен сделать. Как правило, его работа заключается в помещении мно­жества объектов в пространство имен менеджера объектов, создании дополнитель­ных файлов подкачки и открытии нужных DLL. Завершив свою работу, сеансо­вый менеджер создает демон регистрации winlogon.exe.

В этот момент операционная система загружена и работает. Теперь пора запус­тить служебные процессы (демоны в пространстве пользователя) и позволить пользователям регистрироваться в системе. Сначала winlogon.exe создает менед­жера аутентификации (lsass.exe), а затем запускает родительский процесс всех слу­жебных процессов (sennces.exe). Последний процесс по информации, хранящейся в реестре, определяет, какие демоны в пространстве пользователя нужно запустить и в каких файлах они находятся. После этого он приступает к их созданию. Как правило, уже после того, как первый пользова­тель зарегистрировался в системе, но еще до того, как он успел в ней что-либо сделать, в операционной системе Windows 2000 наблюдается высокая активность с большим количеством обращений к диску. Это программа services.exe создает системные службы. Кроме того, она загружает все оставшиеся (еще не загружен­ные) драйверы устройств.

Программа winlogon.exe также отвечает за регистрацию всех пользователей в системе. После успешного входа пользователя в систему про­грамма winlogon.exe получает из реестра профиль пользователя и определяет по нему, какую оболочку запустить. Стан­дартный рабочий стол Windows представляет собой программу explorer.exe, у которой настроены некоторые параметры. При желании пользо­ватель может выбрать в качестве оболочки другую программу, для чего ему нужно просто отредактировать реестр. Отметим, что редактирование реестра требует особой внимательности и осторожности, а всего одна допущенная ошибка может сделать систему незагружаемой.

8.3. Управление памятью вWindows 2000

Основные понятия

В операционной системе Windows 2000 у каждого пользовательского процесса есть собственное виртуальное адресное пространство. Виртуальные адреса 32-разряд­ные, поэтому у каждого процесса 4 Гбайт виртуального адресного пространства. Нижние 2 Гбайт за вычетом около 256 Мбайт доступны для программы и данных процесса; верхние 2 Гбайт защищенным образом отображаются на память ядра. Страницы виртуального адресного пространства имеют фиксированный размер (4 Кбайт на компьютере с процессором Pentium) и подгружаются по требованию. Нижние и верхние 64 Кбайт каждого виртуального адресного пространства в обычном состоянии не отображаются на физическую память. Это делается преднамеренно, что­бы облегчить перехват программных ошибок. Недействительные указатели часто имеют значение 0 или -1, и попытки их использования в системе Windows 2000 вызовут немедленное прерывание вместо чтения или, что еще хуже, записи слова по неверному адресу. Однако когда запускаются старые программы MS-DOS в ре­жиме эмуляции, нижние 64 Кбайт могут отображаться на физическую память.

Начиная с адреса 64 К, могут располагаться приватные данные и программа пользователя. Они могут занимать почти 2 Гбайт. Последний фрагмент этих 2 Гбайт памяти содержит некоторые системные указатели и таймеры, используемые со­вместно всеми пользователями в режиме доступа «только чтение». Отображение этих данных в эту область памяти позволяет всем процессам получать к ним дос­туп без лишних системных вызовов.

Верхние 2 Гбайт виртуального адресного пространства содержат операционную систему, включая код, данные и выгружаемый и невыгружаемый пулы (использу­емые для объектов и т. д.). Верхние 2 Гбайт используются совместно всеми про­цессами, кроме таблиц страниц, которые являются индивидуальными для каждо­го процесса. Верхние 2 Гбайт процессам в режиме пользователя запрещены для записи, а по большей части также запрещены и для чтения. Причина, по которой они размещаются здесь, заключается в том, что когда поток обращается к систем­ному вызову, он переключается в режим ядра, но остается все тем же потоком. Если сделать всю операционную систему и все ее структуры данных (как и весь пользо­вательский процесс) видимыми в адресном пространстве потока, когда он переклю­чается в режим ядра, то отпадает необходимость в изменении карты памяти или выгрузке кэша при входе в ядро. Все, что нужно сделать, – это переключиться на стек режима ядра. Платой за более быстрые системные вызовы при данном подходе является уменьшение приватного адресного пространства для каждого процес­са. Большим базам данных уже сейчас становится тесно в таких рамках, вот поче­му в версиях Windows 2000 Advanced server и Datacenter Server есть возможность использования 3 Гбайт для адресного пространства пользовательских процессов.

Каждая виртуальная страница может находиться в одном из трех состояний: свободном, зарезервированном и фиксированном. Свободная страница не исполь­зуется в настоящий момент, и ссылка на нее вызывает страничное прерывание. Когда процесс запускается, все его страницы находятся в свободном состоянии, пока программа и исходные данные не будут отображены на их адресное простран­ство. Как только данные или программа отображаются на страницу, страница на­зывается фиксированной. Обращение к фиксированной странице преобразуется при помощи аппаратного обеспечения виртуальной памяти и завершается успехом, если эта страница находится в оперативной памяти. В противном случае происхо­дит страничное прерывание, операционная система находит требуемую страницу на диске и считывает ее в оперативную память.

Виртуальная страница может также находиться в зарезервированном состоя­нии, в таком случае эта страница не может отображаться, пока резервирование не будет явно удалено. Например, когда создается новый поток, в виртуальном ад­ресном пространстве резервируется 1 Мбайт пространства для стека, но фиксиру­ется только одна страница. Такая техника означает, что стек может вырасти до 1 Мбайт без опасения, что какой-либо другой поток захватит часть необходимого непрерывного виртуального адресного пространства. Помимо состояния (свободная, зарезервированная или фиксированная), у страниц есть также и другие атрибуты, например страница может быть доступной для чтения, записи или исполнения.

При выделении фиксированным страницам места резервного хранения исполь­зуется интересный компромисс. Простая стратегия в данном случае состояла бы в отведении для каждой фиксированной страницы одной страницы в файле подкач­ки во время фиксации страницы. Это означало бы, что всегда есть место, куда за­писать каждую фиксированную страницу, если потребуется удалить ее из памяти. Недостаток такой стратегии заключается в том, что при этом может потребовать­ся файл подкачки размером со всю виртуальную память всех процессов. На боль­шой системе, которой редко требуется выгрузка виртуальной памяти на диск, та­кой подход приведет к излишнему расходованию дискового пространства. Чтобы не тратить пространство на диске понапрасну, в Windows 2000 фиксиро­ванным страницам, у которых нет естественного места хранения на диске (напри­мер, страницам стека), не выделяются страницы на диске до тех пор, пока не настанет необходимость их выгрузки на диск. Такая схема усложняет систему, так как во время обработки страничного прерывания может понадобиться обращение к фай­лам, в которых хранится информация о соответствии страниц, а чтение этих файлов может вызвать дополнительные страничные прерывания. С другой стороны, для страниц, которые никогда не выгружаются, пространства на диске не требуется.

Подобный выбор (усложнение системы или увеличение производительности и дополнительные функции), как правило, разрешается в пользу последнего, так как достоинства лучшей производительности и большего числа функций очевид­ны, тогда как недостатки усложнения системы (сложность поддержки и увеличе­ние частоты сбоев) бывает сложно учесть.

У свободных и зарезервированных страниц никогда не бывает теневых страниц на диске и обращение к ним всегда приво­дит к страничным прерываниям. Теневые страницы на диске организованы в один или несколько файлов под­качки. Может быть организовано до 16 файлов подкачки, для повышения произ­водительности операций ввода-вывода они могут быть распределены по отдель­ным дискам, которых также может быть до 16. У каждого файла есть начальный размер и максимальный размер, до которого он может вырасти при необходимос­ти. Эти файлы могут сразу быть созданы максимального размера во время уста­новки системы, чтобы уменьшить вероятность их сильной фрагментации, но с по­мощью панели управления позднее можно создать новые файлы. Операционная система следит за тем, какие виртуальные страницы на какую часть файла подкач­ки отображаются. Страницы, содержащие исполняемый текст программ, не дуб­лируются в файлах подкачки. В файлах подкачки хранятся только изменяемые страницы.

В Windows 2000, как и во многих версиях UNIX, файлы могут отображаться напрямую на области виртуального адресного пространства (то есть занимать мно­жество соседних страниц). После того, как файл отображен на адресное простран­ство, он может читаться и писаться при помощи обычных команд обращения к памяти. Отображаемые на память файлы реализуются тем же способом, что и фик­сированные страницы, но теневые страницы хранятся не в файле подкачки, а в файле пользователя. Поэтому при отображении файла на память версия файла, находящаяся в памяти, может отличаться от дисковой версии (вследствие записи в виртуальное адресное пространство). Однако когда отображение файла прекра­щается или файл принудительно выгружается на диск, дисковая версия снова при­водится в соответствие с последними изменениями файла в памяти.

В Windows 2000 два и более процессов могут одновременно отображать на свои виртуальные адресные пространства, возможно, в различные адреса, одну и ту же часть одного и того же файла. Читая и записывая сло­ва памяти, процессы могут общаться друг с другом и передавать друг другу ин­формацию с очень большой скоростью, так как копирование при этом не требует­ся. У различных процессов могут быть различные права доступа. Поскольку все процессы, использующие отображаемый на память файл, совместно используют одни и те же страницы, изменения, произведенные одним процессом, немедленно становятся видимыми для всех остальных процессов, даже если файл на диске еще не был обновлен. Также предпринимаются меры, благодаря которым процесс, от­крывающий файл для нормального чтения, видит текущие страницы в ОЗУ, а не устаревшие страницы с диска.

Следует отметить, что при совместном использовании двумя программами од­ного файла DLL может возникнуть проблема, если одна из программ изменит ста­тические данные файла. Если не предпринять специальных действий, то другой процесс увидит измененные данные, что, скорее всего, не соответствует намерени­ям этого процесса. Эта проблема решается таким способом: все отображаемые стра­ницы помечаются как доступные только для чтения, хотя в то же время некоторые из них тайно помечаются как в действительности доступные и для записи. Когда к такой странице происходит обращение операции записи, создается приват­ная копия этой страницы и отображается на память. Теперь в эту страницу мож­но писать, не опасаясь задеть других пользователей или оригинальную копию на диске. Такая техника называется копированием при записи.