Реализация объектов

Объекты представляют собой, вероятно, самое важное понятие операционной си­стемы Windows 2000. Они предоставляют однородный и непротиворечивый ин­терфейс ко всем системным ресурсам и структурам данных, таким как процессы, потоки, семафоры и т. д. У этой однородности есть много граней. Во-первых, все объекты именуются по одной и той же схеме. Доступ ко всем объектам также пре­доставляется одинаково, при помощи дескрипторов объектов. Во-вторых, посколь­ку доступ к объектам всегда осуществляется через менеджер объектов, все провер­ки, связанные с защитой, могут быть размещены в одном месте, с гарантией, что ни один процесс не сможет обойти их. В-третьих, возможно совместное исполь­зование объектов по одной и той же схеме. В-четвертых, поскольку все объекты открываются и закрываются через менеджер объектов, несложно отследить, ка­кие объекты все еще используются, а какие можно безопасно удалить. В-пятых, эта однородная модель для управления объектов позволяет легко регулировать квоты ресурсов.

Ключом к пониманию объектов является тот факт, что исполняемый объект представляет собой просто набор последовательных слов в памяти (то есть в вир­туальном адресном пространстве ядра). Объект представляет собой структуру дан­ных в памяти. Файл на диске не является объектом, хотя для файла при его открытии создается объект (то есть структура данных в вирту­альном адресном пространстве ядра). Из того факта, что объекты представляют собой всего лишь структуры данных в виртуальном адресном пространстве ядра, следует, что при перезагрузке (или сбое) системы все объекты теряются. Дей­ствительно, когда операционная система загружается, нет никаких объектов (кро­ме бездействующих системных процессов, чьи объекты жестко прошиты в файле ntoskrnl.exe). Все остальные объекты создаются на ходу при загрузке системы и во время работы различных программ инициализации, а позднее пользовательских программ.

Каждый объект содержит заголовок с определенной информацией, общей для всех объектов всех типов. Поля заголов­ка включают имя объекта, каталог, в котором объект живет в пространстве объек­тов, информацию защиты (при открытии объекта выполняется определенная про­верка), а также список процессов, у которых есть открытые дескрипторы к данному объекту (если установлен определенный флаг отладки).

Каждый заголовок объекта также содержит поле цены квоты, представляющей собой плату, взимаемую с процесса за открытие объекта. Если файловый объект стоит один пункт, а процесс принадлежит к заданию, у которого есть 10 пунктов квоты, то суммарно все процессы этого задания могут открыть не более 10 фай­лов. Таким образом, для объектов каждого типа могут реализовываться ограниче­ния на ресурсы.

Объекты занимают важный ресурс – участки виртуального адресного про­странства ядра – поэтому, когда объект более не нужен, он должен быть удален, а его адресное пространство возвращено системе. Для этого в заголовке каждого объекта содержится счетчик ссылок на объект. Этот счетчик увеличивается на единицу каждый раз, когда объект открывается, и уменьшается на единицу при закрытии объекта. Когда значение счетчика уменьшается до 0, это означает, что никто более не пользуется этим объектом. Когда объект открывается или освобож­дается компонентом исполняющей системы, используется второй счетчик, даже если настоящий дескриптор при этом не создается. Когда оба счетчика умень­шаются до 0, это означает, что этот объект более не используется ни одним пользо­вателем и ни одним исполняющим процессом, то есть объект может быть удален, а его память освобождена.

Менеджеру объектов бывает необходимо получать доступ к динамическим структурам данных (объектам), но он не единственная часть исполняющей систе­мы, которой это нужно. Другим частям исполняющей системы также бывает нуж­но динамически получать на время участки памяти. Для этого исполняющая сис­тема содержит два пула в адресном пространстве ядра: для объектов и для других динамических структур данных. Один пул является выгружаемым, а другой невыгружаемым (фиксированным в памяти). Объекты, обращения к которым часты, хранятся в невыгружаемом пуле. Объекты, обращения к которым редки, например ключи реестра и некоторая информация, относящаяся к безопасности, хранятся в выгружаемом пуле. Когда памяти не хва­тает, этот пул может быть выгружен на диск и загружен обратно по страничному прерыванию. В действительности значительная часть программ и структур дан­ных операционной системы также является выгружаемой, что позволяет снизить потребление памяти. Объекты, которые могут понадобиться, когда система выпол­няет критический участок программы (и когда подкачка не разрешается), должны храниться в невыгружаемом пуле. Когда требуется небольшое количество памяти, страница может быть получена из любого пула, а затем разбита на мелкие участки размером от 8 байт.

Объекты подразделяются на типы. Это означает, что у каждого объекта есть свойства, общие для всех объектов этого типа. Тип объекта определяется указате­лем на объект типа. Информация о типе объекта включает такие пункты, как название типа, данные о том, может ли поток ждать изменения состояния этого объекта («да» для мьютексов, «нет» для открытых файлов), и должен ли объект этого типа храниться в выгружаемом или невыгружаемом пуле. Каждый объект указывает на свой объект типа.

Наконец, самая важная часть объекта – это указатели на программы для опре­деленных стандартных операций, таких как open, close и delete. Когда вызывается одна из этих операций, используется указатель на типовой объект, в котором выби­рается и выполняется соответствующая процедура. Такой механизм предоставля­ет системе возможность инициализировать новые объекты и освобождать память при их удалении.

Компоненты исполняющей системы могут динамически создавать новые типы. Фиксированного списка типов объектов не существует, но некоторые наиболее употребительные типы рассмотрим ниже. Давайте кратко рассмотрим эти типы объектов. Существует один объект для каждого процесса и для каждого потока. В объекте хранятся основные свойства, необходимые для управления этим процессом или потоком. Следующие три объек­та – семафор, мьютекс и событие – имеют отношение к синхронизации процессов. Семафоры и мьютексы работают так, как и ожидается, но с дополнительными функ­циями (например, максимальными значениями и тайм-аутами). События могут быть в одном из двух состояний: сигнализирующем и несигнализирующем. Если поток ждет события, находящегося в сигнализирующем состоянии, он немедлен­но получает управление. Если же ожидаемое потоком событие находится в несиг­нализирующем состоянии, тогда поток блокируется до тех пор, пока какой-либо другой поток не переведет это событие в сигнализирующее состояние (проще гово­ря, пока это событие не произойдет). Событие может также быть настроено таким образом, что после получения сигнала ожидающим его процессом это событие автоматически перейдет в несигнализирующее состояние. В противном случае событие останется в сигнализирующем состоянии.

Объекты порт, таймер и очередь также имеют отношение к связи и синхрони­зации. Порты представляют собой каналы между процессами, использующиеся для обмена сообщениями. Таймеры предоставляют способ блокировать процесс или поток на определенный срок. Очереди применяются для уведомления пото­ков о том, что начатая ранее асинхронная операция ввода-вывода завершена.

Объекты открытых файлов создаются при открытии файла. У неоткрытых фай­лов нет объектов, управляемых менеджером объектов. Маркеры доступа представ­ляют собой объекты безопасности. Они идентифицируют пользователя и сообща­ют, какие привилегии имеет этот пользователь. Профили представляют собой структуры, используемые для хранения периодически фиксируемых значений счетчика команд работающего потока, которые позволяют определить, на что дан­ная программа тратит свое время.

Секции являются объектами, используемыми системой памяти для управле­ния отображаемыми на память файлами. Они хранят сведения о том, какой файл (или часть файла) на какие адреса памяти отображается. Ключи представляют со­бой ключи реестра и применяются для установки связи между именем и значени­ем.

Каталоги объектов являются полностью локальными по отношению к менед­жеру объектов. Они предоставляют способ объединять связанные объекты тем же способом, каким обычные каталоги объединяют файлы в файловой системе. Символьные ссылки также подобны своим двойникам в файловой системе: они позволяют имени в одной части пространства имен объектов ссылаться на объект в другой части этого пространства имен. У каждого известного системе устрой­ства есть объект устройства, содержащий информацию о нем и использующийся для ссылки на устройство в системе. Наконец, у каждого загруженного драйвера устройства есть объект в пространстве объектов.

Пользователи могут создавать новые объекты или открывать уже существующие объекты при помощи вызовов Win32, таких как CreateSemaphore и OpenSemaphore. Эти вызовы являются библиотечными процедурами, которые в конечном итоге об­ращаются к настоящим системным вызовам. При успешном выполнении первый вы­зов создает, а второй открывает объект, создавая в результате 64-разрядную запись в таблице дескрипторов, хранящуюся в приватной таблице дескрипторов процес­са в памяти ядра. Пользователю для последующей работы возвращается 32-раз­рядный индекс, указывающий положение дескриптора в таблице.

64-разрядный элемент таблицы дескрипторов в ядре содержит два 32-разряд­ных слова. Одно слово содержит 29-разрядный указатель на заголовок объекта. Младшие три разряда используются как флаги (например, указывающие, насле­дуется ли дескриптор дочерним процессом). Когда указатель используется, эти разряды маскируются. Второе слово содержит 32-разрядную маску прав доступа. Она нужна, потому что проверка разрешений выполняется только в то время, когда объект создается или открывается. Если у процесса есть только разрешение для чтения объекта, тогда все остальные биты маски будут нулями, что дает системе возможность отвергать любую операцию, кроме операции чтения.

По мере того как во время выполнения программы создаются и удаляются объек­ты, менеджеру объектов необходимо следить за ними. Для выполнения этой работы он поддерживает пространство имен, в котором располагаются все объекты систе­мы. Пространство имен может использоваться процессом, чтобы найти и открыть дескриптор объекта другого процесса при условии, что для этого у него есть необхо­димые разрешения. Пространство имен объектов является одним из трех пространств имен, поддерживаемых в Windows 2000. Остальные два представляют собой про­странство имен файловой системы и пространство имен реестра. Все три являются иерархическими пространствами имен со множеством уровней каталогов для орга­низации элементов. Объекты каталогов предоставляют средства реализации этого иерархического пространства имен для объектов.

Поскольку объекты исполняющей системы являются временными (то есть ис­чезают при выключении компьютера, в отличие от файловой системы и элемен­тов реестра), в начале загрузки системы в памяти нет объектов и пространство имен объектов пусто. Во время загрузки различные части исполняющей системы создают каталоги и заполняют их объектами. Например, когда менеджер plug-and-play обнаруживает новые устройства, он создает по объекту для каждого устройства и помещает эти объекты в пространство имен. Когда система полностью загружена, все устройства ввода-вывода, дисковые разделы и другие открытия системы оказываются в пространстве имен объектов.

Необходимо отметить, что некоторые компоненты исполняющей системы перед созданием объектов обращаются к реестру, чтобы определить свои дальнейшие действия. Важнейший пример – драйверы устройств. При загрузке система смотрит в реестр, чтобы узнать, какие драйверы ей нужны. При загрузке каждого драйвера создается объект, а его имя добавляется в про­странство имен объектов. В системе обращение к драйверу осуществляется по ука­зателю на его объект.