windows server 體系結(jié)構(gòu)分析

1、第一節(jié)Windows Server 2003體系結(jié)構(gòu)專 業(yè)：智能弱電姓 名：龔 世 偉 紹興喬波冰雪世界體育進展有限公司 2010-7-30Windows Server 2003體系結(jié)構(gòu)了解一個操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)就像了解一部汽車的工作原理一樣，即使不明白汽車的技術(shù)細節(jié)，駕駛員也能駕駛汽車從A地到達B地。然而假如汽車出了毛病，就得把車送到車間或修理工那兒去修理。修理工會告訴您應該早些更換機油，或者車胎需要做動平衡調(diào)整，或者是火花塞被臟東西堵了。假如明白了汽車的工作原理，就會更好地保養(yǎng)汽車、減少損耗，甚至能夠自己對它進行維修了。盡管操作系統(tǒng)比汽車發(fā)動機更復雜，然而道理是相似的。假如了解核心部分的各

2、種組件、文件系統(tǒng)和OS是如何利用處理器、內(nèi)存、硬件等，就能夠更好地治理機器。1.1 操作系統(tǒng)模式基于Windows 2000 Server之上的Windows 2003是一個模塊化的、基于組件的操作系統(tǒng)。那個操作系統(tǒng)中的所有組件對象都提供接口，以便其他對象和進程與它們交互，從而利用這些組件所提供的各種功能和服務。這些組件協(xié)同工作便能執(zhí)行特定的操作系統(tǒng)任務。Windows 2003體系結(jié)構(gòu)包含兩個要緊的層次：用戶模式和內(nèi)核模式。這兩種模式和各種子系統(tǒng)如圖1-1所示。圖1-1 Windows Server 2003系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（簡圖）1.2 用戶模式Windows 2003用戶模式層是一種典型的應

3、用程序支持層，它由環(huán)境子系統(tǒng)和整合子系統(tǒng)組成，同時支持Microsoft和第三方應用軟件。它是操作系統(tǒng)的一部分，獨立的軟件供應商能夠在其上使用公布的API和面向?qū)ο蟮慕M件進行操作系統(tǒng)調(diào)用。所有的應用程序和服務都安裝在用戶模式層。1.2.1 環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)的功能是運行為不同操作系統(tǒng)所編寫的應用程序。它能夠截取應用程序?qū)μ囟ú僮飨到y(tǒng)API的調(diào)用，然后將它們轉(zhuǎn)換成為Windows 2003能夠識不的格式，轉(zhuǎn)換后的API調(diào)用再傳遞到處理請求所需要的操作系統(tǒng)組件，最后再將調(diào)用所返回的返回碼或返回信息轉(zhuǎn)換回應用程序能夠識不的格式。這些子系統(tǒng)在Windows 2003中并不是新功能，但與在NT中相比，

4、它們在這幾年中差不多有了顯著的改進。一些實際應用表明，應用程序在Windows 2003中比在它們當初所設計的目標操作系統(tǒng)中運行得更好。專門多應用程序在Windows 2003中也更加安全。例如，Windows 2003中止DOS應用程序時可不能對服務器穩(wěn)定性產(chǎn)生阻礙，而通常情況下，它會使運行DOS的機器崩潰。表1-1列出的是Windows 2003環(huán)境或應用程序子系統(tǒng)。表1-1 環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)用途W(wǎng)indows 2003 Win32（32位）支持基于Win32的應用程序。那個子系統(tǒng)也支持16位Windows和DOS應用程序。所有應用程序的I/O和GUI功能都在那個地點處理。為了支持終端

5、服務，該子系統(tǒng)差不多得到專門大的增強OS/2支持16位OS/2應用程序（要緊是Microsoft OS/2）POSIX支持兼容POSIX的應用程序（通常為UNIX）非Win32子系統(tǒng)只對非Win32的舊式應用程序提供差不多支持。關(guān)于這些子系統(tǒng)并沒有太多的要求，保留它們只是為了運行最簡單的有用程序和兼容POSIX或OS/2的函數(shù)調(diào)用（這些調(diào)用通常使用C語言）。例如，POSIX子系統(tǒng)確實是為了滿足運行UNIX有用程序vi和grep的要求而設置的。POSIX子系統(tǒng)不是作為UNIX和Windows 2003高級集成的一種方法保留的，例如，假如要在Windows 2003上運行UNIX shell，您仍

6、然需要安裝UNIX服務。在Windows 2003上運行非Windows應用程序會受到一些局限和約束，這些阻礙來自基礎操作系統(tǒng)。關(guān)于這些局限和約束，下面將有詳細的列舉描述，其中大部分約束也包括用戶模式的、基于Win32的應用程序： 軟件不能直接訪問硬件。換句話講，假如應用程序要求硬盤空間時，系統(tǒng)將禁止它直接訪問硬件以獲得空間信息，它將訪問的是用戶模式對象。用戶模式對象與內(nèi)核模式對象進行對話，對話由內(nèi)核模式對象向下傳遞到操作系統(tǒng)堆棧，再到硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL），然后信息再逐層向上傳遞，由堆棧到接口。那個過程確實是通常所講的切換處理（handof

7、f processing）。Win32代碼中函數(shù)實質(zhì)上都獲得一個返回值，使開發(fā)人員不必和硬件對話。這對開發(fā)人員和操作系統(tǒng)差不多上有好處的。檢查調(diào)用有效性的API能夠愛護操作系統(tǒng)，而開發(fā)人員則直接面對簡單的調(diào)用級接口，它通常只需寫一行代碼，而不是一萬行。 不能直接訪問設備驅(qū)動程序。上述原則同樣適用于設備驅(qū)動程序。硬件制造商為Windows 2003建立了訪問硬件的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序同樣也不能對硬件進行直接訪問，而是和由設備驅(qū)動程序API提供的抽象對象進行對話。 軟件受限于內(nèi)存中分配的地址空間。這項約束愛護操作系統(tǒng)不受流氓應用程序的阻礙，這些應用程序會試圖訪問所有可訪問的內(nèi)存。這在Windows

8、2003中差不多不可能了，應用程序只能在所分配的地址空間中活動。 Windows 2003與Windows 2000一樣，使用硬盤空間作為準RAM（quasi-RAM）。應用程序并不在意內(nèi)存的類型或來源，它關(guān)于應用程序是透明的。虛擬內(nèi)存是系統(tǒng)中所有內(nèi)存的組合，它既包括機器中的物理內(nèi)存，又包括系統(tǒng)中的交換文件。交換文件用來保存那些不能保存在硬件RAM中的信息。 用戶模式子系統(tǒng)中應用程序的運行優(yōu)先級比在內(nèi)核模式中運行的所有服務和例程都低。這也意味著它們對CPU的訪問要比內(nèi)核模式進程的優(yōu)先級低。1.2.2 整合子系統(tǒng)整合子系統(tǒng)用于執(zhí)行某些關(guān)鍵操作系統(tǒng)功能。表1-2列出了這些服務。表1-2 整合子系統(tǒng)

9、整合子系統(tǒng)用途安全子環(huán)境執(zhí)行與用戶權(quán)利和訪問操縱有關(guān)的服務。訪問操縱包括對整個網(wǎng)絡及操作系統(tǒng)對象的愛護，這些對象是以一定的方法在操作系統(tǒng)中定義或抽象的。安全子環(huán)境也處理登錄請求并開始登錄驗證過程服務器服務該服務使Windows 2003成為網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。所有網(wǎng)絡服務都源于服務器服務工作站服務這項服務在用途上與服務器服務相類似。它更多地面向用戶對網(wǎng)絡的訪問（在禁用這項服務的機器上也能進行工作）這些系統(tǒng)幾乎不需要進行治理。在服務操縱治理器（Service Control Manager）中能夠訪問這些服務，也能夠通過手動方式啟動和停止這些服務。1.3 內(nèi)核模式Windows 2003內(nèi)核模式是能訪

10、問系統(tǒng)數(shù)據(jù)和硬件的層。它由幾個組件組成（參見圖1-1）。1.3.1 Windows 2003執(zhí)行程序執(zhí)行程序是指所有執(zhí)行程序服務的集合名詞。它包含專門多操作系統(tǒng)中的I/O例程，并實現(xiàn)對關(guān)鍵對象的治理功能，尤其是安全性方面。執(zhí)行程序還包含系統(tǒng)服務組件（在兩種OS模式中都能夠訪問）和內(nèi)部內(nèi)核模式例程（任何運行在用戶模式中的代碼都不能訪問）。內(nèi)核模式組件如下所示。 I/O治理器：治理機器設備的輸入和輸出。具體包括以下設備。 文件系統(tǒng)：將文件系統(tǒng)請求轉(zhuǎn)換為與設備相關(guān)的調(diào)用。 設備驅(qū)動程序：治理直接訪問硬件的設備驅(qū)動程序。 高速緩存治理器：隱藏在I/O治理器代碼中，通過緩存磁盤讀出的數(shù)據(jù)來治理I/O性能

11、。還能緩存讀請求和寫請求，并能處理對硬件的脫機寫入或后臺寫入。 安全性引用監(jiān)視器：該組件能夠?qū)嵤┯嬎銠C的安全策略。 進程間通信治理器（IPC）：該組件的作用使它存在于操作系統(tǒng)的各個角落。它的本質(zhì)作用是治理客戶端和服務器進程間的通信。它由本地過程調(diào)用（LPC）工具和遠程過程調(diào)用（RPC）工具組成，前者用來治理同一臺計算機上的客戶端和服務器進程間的通信，后者用來治理不同機器上客戶端和服務器之間的通信。 內(nèi)存治理器或虛擬內(nèi)存治理器（VMM）：該組件用來治理虛擬內(nèi)存。它為每個進程提供一段虛擬地址空間，每個進程占有并愛護它的虛擬地址空間以維護系統(tǒng)的完整性。它同時還操縱虛擬RAM對硬盤的訪問要求，這確實是

12、通常所講的分頁技術(shù)。 進程治理器：該組件能夠創(chuàng)建和終止由系統(tǒng)服務或應用程序產(chǎn)生的進程和線程。 即插即用治理器：該組件利用各種設備驅(qū)動程序，為與硬件相關(guān)的配置和服務提供即插即用服務及通信。 電源治理器：該組件操縱系統(tǒng)中的電源治理。它利用各種電源治理API進行工作，治理與電源治理請求有關(guān)的事件。 窗口治理器和圖形設備接口（GDI）：驅(qū)動程序Win32k.sys將兩個組件服務結(jié)合在一起，并治理顯示系統(tǒng)，分不講明如下： 窗口治理器：該組件治理屏幕輸出和窗口顯示。它同時還處理鼠標和鍵盤的I/O數(shù)據(jù)。 GDI：該組件是最難以編寫代碼的接口，在Win16時代，它總是與內(nèi)存一起提供。它利用一些組件來負責屏幕和

13、界面圖形的繪制和處理，這些組件負責把這些對象提交給打印機對象和其他圖形輸出設備。 對象治理器：該引擎治理系統(tǒng)對象。它能夠創(chuàng)建對象、刪除不需要的對象。它同時能夠進行資源治理，例如創(chuàng)建對象時需要分配的內(nèi)存。除了這些服務之外（如圖1-1所示），還有組成內(nèi)核模式的3個核心組件，這包括設備驅(qū)動程序組件、Microkernel和硬件抽象層（HAL）。1.3.2 設備驅(qū)動程序該組件將驅(qū)動程序調(diào)用轉(zhuǎn)換為操作硬件的實際例程。1.3.3 Microkernel該組件是操作系統(tǒng)的核心（有人將其本身看作是操作系統(tǒng)，其他所有部分看作是服務）。它治理微處理器上的線程處理、線程排隊、多任務，等等。Windows 2003

14、Microkernel具有搶先權(quán)，從本質(zhì)上看，這表明線程能夠被中斷或重新排隊。1.3.4 硬件抽象層硬件抽象層（HAL）實際上對其他設備和組件隱藏了硬件接口的詳細信息。換句話講，它是位于真實硬件之上的抽象層，所有到硬件的調(diào)用差不多上通過HAL來進行的。HAL包含處理硬件相關(guān)的I/O接口、硬件中斷等所必需的硬件代碼。該層也負責與Intel和AMD相關(guān)的支持，使一個執(zhí)行程序能夠在這二者中的任何一個處理器上運行。1.4 Windows 2003處理體系結(jié)構(gòu)Windows Server 2003采納對稱多處理（SMP）體系結(jié)構(gòu)。也確實是講，首先，操作系統(tǒng)能夠在多個CPU上運行；其次，它能夠使所有進程依

15、照需要使用多個CPU。換句話講，假如一個CPU被完全占用了，應用程序或服務程序所產(chǎn)生的線程能夠在其他可用的CPU上進行處理。Windows 2003將它的多任務和多線程能力與SMP能力結(jié)合在一起。假如線程處于等待執(zhí)行狀態(tài)，操作系統(tǒng)將安排處理器處理那個等候線程。線程執(zhí)行的負擔被均勻分攤到可用的CPU上。對稱多處理技術(shù)能夠確保操作系統(tǒng)使用所有的可用處理器資源，顯然這將提高整個系統(tǒng)的處理速度。Windows Server 2003 Standard版支持4路（4 CPU）對稱多處理。Enterprise版支持8路SMP，Datacenter Server可支持32路SMP，而Web版本最多只能支持2

16、路SMP。假如需要，用戶還能夠從Microsoft獲得代碼，依據(jù)合同將 OS編譯成所要求的SMP規(guī)范。1.5 Windows 2003內(nèi)存治理Windows 2003與Windows 2000 Server在內(nèi)存處理上幾乎相同，Windows 2000在 Windows NT 4.0的基礎上進行了專門大的改進。它包括一個內(nèi)存模型，那個內(nèi)存模型基于一個平面的、線性的仍然為32位的地址空間。在Windows 2003操作系統(tǒng)中使用兩種類型的內(nèi)存。第一種是物理內(nèi)存，包括安裝在系統(tǒng)主板上RAM芯片中的內(nèi)存，典型的有SDRam、DDRam、RAMBus RAM等幾種形式。第二種是虛擬內(nèi)存，它是系統(tǒng)中所有

17、內(nèi)存的組合，并包括如何使這些內(nèi)存可用于操作系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬內(nèi)存治理器（Virtual Memory Manager，VMM）用于治理系統(tǒng)內(nèi)存。它治理并組合系統(tǒng)中所有的物理內(nèi)存，使應用程序和操作系統(tǒng)能夠獲得更多的可用內(nèi)存。這比實際安裝在系統(tǒng)中RAM芯片上的內(nèi)存要大得多。通過防止一個進程侵入另一個進程的地址空間，VMM能愛護系統(tǒng)的內(nèi)存資源。這在DOS或 Windows早期版本等操作系統(tǒng)中是一個令人頭痛的問題。不管是物理內(nèi)存依舊虛擬內(nèi)存，每個內(nèi)存字節(jié)都用一個唯一的地址表示。物理RAM具有局限性，因為Windows 2003只能依照系統(tǒng)中物理RAM的數(shù)量來編址。然而虛擬編址就不一樣了，Windows

18、2003 Web版本最多能夠支持2GB RAM，Windows Server 2003 Standard版最多能夠支持4GB RAM，而Enterprise版可支持64GB，在64位處理器上Datacenter版能夠支持512GB RAM。VMM治理內(nèi)存，它具有下面兩個要緊功能。 VMM擁有一個內(nèi)存映射表，它能夠記住分配給每個進程的虛擬地址列表。能夠確定要將實際數(shù)據(jù)映射到的地址位置。換句話講，它擔當翻譯服務的角色，負責將虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存。這項功能關(guān)于應用程序是透明的，應用程序就像訪問物理內(nèi)存一樣運行。 在RAM用完時，VMM會依照需要將內(nèi)存內(nèi)容移到硬盤中去。這確實是通常所講的分頁。因此，

19、Windows 2003能夠訪問4GB地址空間，這些空間是虛擬的，可能由RAM和硬盤空間組成。盡管我們討論的是4GB地址空間，然而這些空間與系統(tǒng)如何使用內(nèi)存有關(guān)。實際上，應用程序可用的地址空間只有2GB或者更少，因為有2GB由所有在用戶模式運行的進程共享，而剩下的2GB分配給內(nèi)核模式線程。能夠使用/3GB或者/PAE（即Physical Address Extension）來更改默認的地址空間，以獲得大于4GB的地址空間?，F(xiàn)在討論4GB空間的“高端”和“低端”部分，各自包含2GB尋址空間。高端部分只為內(nèi)核模式進程保留；低端空間既可用于用戶模式，也可用于內(nèi)核模式進程。高端部分也在其地址空間中保留

20、一部分低端區(qū)域，用于直接映射硬件地址。低端部分也是在分頁池中維護的。有非分頁池和分頁池兩種，分頁池的內(nèi)容能夠被換出，轉(zhuǎn)存到磁盤，通常分配給應用程序；而非分頁池必須保留在物理RAM中，每個分頁的大小為4KB。1.6 深入分頁分頁確實是將數(shù)據(jù)移出和移入物理內(nèi)存的過程。假如物理內(nèi)存池滿了，而Windows還需要更多內(nèi)存，VMM就把物理內(nèi)存中臨時不用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出到磁盤中，那個磁盤儲存庫稱為分頁文件（page file）。每個進程所分配的地址空間都以頁的方式存在，它們能夠被標識為有效頁或無效頁。有效頁是指物理內(nèi)存中的頁，關(guān)于任何應用程序差不多上有效的；而無效頁是指存儲在磁盤上的頁，關(guān)于任何應用程序差不多上無效的。在應用程序需要訪問差不多移動到磁盤上的無效頁（脫機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)）時，系統(tǒng)將認為這是頁錯誤（page fault）。頁錯誤進程類似于一個執(zhí)行線程，它在遇到錯誤或異常事件后會依照例程而采納不同的路徑。在這種情況下，頁錯誤能夠被妥善地處理，VMM“俘獲”那個錯誤，然后訪問相關(guān)分頁文件中的數(shù)據(jù)，并在RAM中恢復這些數(shù)據(jù)。