на коде какого ядра основан код ядра windows 8

Единое ядро Windows

Windows – одна из наиболее многогранных и гибких ОС, она работает на совершенно разных архитектурах и доступна в разных вариантах. На сегодня она поддерживает архитектуры x86, x64, ARM и ARM64. Windows в своё время поддерживала Itanium, PowerPC, DEC Alpha и MIPS. Кроме того, Windows поддерживает целый набор SKU, работающих в различных условиях; от дата-центров, ноутбуков, Xbox и телефонов до встраиваемых версий для интернета вещей, например, в банкоматах.

Самый удивительный аспект состоит в том, что ядро Windows практически не меняется в зависимости от всех этих архитектур и SKU. Ядро динамически масштабируется в зависимости от архитектуры и процессора, на котором оно работает, так, чтобы пользоваться всеми возможностями оборудования. Конечно, в ядре присутствует определённое количество кода, связанного с конкретной архитектурой, однако его там минимальное количество, что позволяет Windows запускаться на разнообразных архитектурах.

В этой статье я расскажу об эволюции ключевых частей ядра Windows, которые позволяют ему прозрачно масштабироваться от чипа NVidia Tegra низкого потребления, работающего на Surface RT 2012 года, до гигантских монстров, работающих в дата-центрах Azure.

Менеджер задач Windows, работающий на пререлизной машине класса Windows DataCenter, с 896 ядрами, поддерживающими 1792 логических процессора и 2 Тб памяти

Эволюция единого ядра

Перед тем, как обсудить детали ядра Windows, сделаем небольшое отступление в сторону рефакторинга. Рефакторинг играет ключевую роль в увеличении случаев повторного использования компонентов ОС на различных SKU и платформах (к примеру, клиент, сервер и телефон). Базовая идея рефакторинга – позволить повторно использовать одни и тем же DLL на разных SKU, поддерживая небольшие модификации, сделанные специально под нужный SKU, не переименовывая DLL и не ломая работу приложений.

Базовая технология рефакторинга Windows – мало документированная технология под названием «наборы API». Наборы API – это механизм, позволяющий ОС разъединять DLL и место их применения. К примеру, набор API позволяет приложениям для win32 продолжать пользоваться kernel32.dll, притом, что реализация всех API прописана в другой DLL. Эти DLL с реализацией также могут отличаться у разных SKU. Посмотреть наборы API в деле можно, запустив обход зависимостей на традиционной Windows DLL, например, kernel32.dll.

Закончив это отступление по поводу строения Windows, позволяющего системе максимизировать повторное и совместное использование кода, перейдём к техническим глубинам запуска ядра по планировщику, являющегося ключом к масштабированию ОС.

Компоненты ядра

Windows NT – это, по сути, микроядро, в том смысле, что у него есть своё core Kernel (KE) с ограниченным набором функций, использующее исполняемый уровень (Executive layer, Ex) для выполнения всех политик высокого уровня. EX всё ещё является режимом ядра, так что это не совсем микроядро. Ядро отвечает за диспетчеризацию потоков, синхронизацию между процессорами, обработку исключений аппаратного уровня и реализацию низкоуровневых функций, зависящих от железа. Слой EX содержит различные подсистемы, обеспечивающие набор функциональности, который обычно считается ядром – IO, Object Manager, Memory Manager, Process Subsystem, и т.д.

Чтобы лучше представить себе размер компонентов, вот примерное разбиение по количеству строк кода в нескольких ключевых каталогах дерева исходников ядра (включая комментарии). В таблицу не вошло ещё много всего, относящегося к ядру.

Более подробная информация об архитектуре Windows содержится в серии книг “Windows Internals”.

Планировщик

Подготовив таким образом почву, давайте немного поговорим о планировщике, его эволюции и том, как ядро Windows умеет масштабироваться на такое количество различных архитектур с таким большим количеством процессоров.

Поток – это базовая единица, исполняющая программный код, и именно её работу планирует планировщик Windows. Решая, какой из потоков запустить, планировщик использует их приоритеты, и в теории, поток с наивысшим приоритетом должен запускаться на системе, даже если это означает, что потокам с более низким приоритетам времени не останется.

Проработав квантовое время (минимальное количество времени, которое может работать поток), поток испытывает уменьшение динамического приоритета, чтобы потоки с высоким приоритетом не могли работать вечно, душа всех остальных. Когда для работы пробуждается другой поток, ему повышают приоритет, рассчитанный на основе важности события, из-за которого произошло ожидание ( например, приоритет сильно повышается для находящегося на переднем плане интерфейса пользователя, и несильно – для завершения операций ввода/вывода). Поэтому поток работает с высоким приоритетом, пока он остаётся интерактивным. Когда он становится связанным преимущественно с вычислениями (CPU-bound), его приоритет падает, и к нему возвращаются уже после того, как другие потоки с высоким приоритетом получат своё процессорное время. Кроме того, ядро произвольным образом увеличивает приоритет готовых потоков, не получивших процессорного времени за определённый промежуток, чтобы предотвратить их вычислительное голодание и подправить инверсию приоритетов.

У планировщика Windows изначально была одна очередь готовности, из которой он выбирал следующий, наивысший по приоритету поток для запуска. Однако с началом поддержки всё большего количества процессоров, единственная очередь превратилась в узкое место, и примерно в районе выхода Windows Server 2003 планировщик поменял работу и организовал по одной очереди готовности на процессор. При переходе на поддержку нескольких запросов на один процессор единую глобальную блокировку, защищающую все очереди, делать не стали, и разрешили планировщику принимать решения на основе локальных оптимумов. Это означает, что в любой момент в системе работает один поток с наивысшим приоритетом, но не обязательно означает, что N самых приоритетных потоков в списке (где N – число процессоров) работают в системе. Такой подход оправдывал себя, пока Windows не начала переходить на CPU с низким энергопотреблением, например, на ноутбуки и планшеты. Когда на таких системах поток с наивысшим приоритетам не работал (например, поток переднего плана интерфейса пользователя), это приводило к заметным глюкам интерфейса. Поэтому в Windows 8.1 планировщик перевели на гибридную модель, с очередями для каждого процессора для потоков, связанных с этим процессором, и разделяемой очередью готовых процессов для всех процессоров. Это не сказалось на быстродействии заметным образом благодаря другим изменениям в архитектуре планировщика, например, рефакторингу блокировки базы данных диспетчера.

В Windows 7 ввели такую вещь, как динамический планировщик со справедливыми долями (Dynamic Fair Share Scheduler, DFSS); это в первую очередь касалось терминальных серверов. Эта особенность пыталась решить проблему, связанную с тем, что одна терминальная сессия с высокой загрузкой CPU могла повлиять на потоки в других терминальных сессиях. Поскольку планировщик не учитывал сессии и просто использовал приоритет для распределения потоков, пользователи в разных сессиях могли повлиять на работу пользователей в других сессиях, задушивая их потоки. Также это давало несправедливое преимущество сессиям (и пользователям) с большим количеством потоков, поскольку у сессии с большим количеством потоков было больше возможностей получить процессорное время. Была сделана попытка добавить в планировщик правило, по которому каждую сессию рассматривали на равных с другими по количеству процессорного времени. Подобная функциональность есть и в ОС Linux с их абсолютно честным планировщиком (Completely Fair Scheduler). В Windows 8 эту концепцию обобщили в виде группы планировщика и добавили в планировщик, в результате чего каждая сессия попадала в независимую группу. Кроме приоритетов для потоков, планировщик использует группы планировщика как индекс второго уровня, принимая решение по поводу того, какой поток запускать следующим. В терминальном сервере все группы планировщика имеют одинаковый вес, поэтому все сессии получают одинаковое количество процессорного времени вне зависимости от количества или приоритетов потоков внутри групп планировщика. Кроме того, такие группы также используют для более точного контроля над процессами. В Windows 8 рабочие объекты (Job) были дополнены так, чтобы поддерживать управление процессорным временем. При помощи специального API можно решать, какую часть процессорного времени может использовать процесс, должно это быть мягкое или жёсткое ограничение, и получать уведомления, когда процесс достигает этих ограничений. Это похоже на управление ресурсами в cgroups на Linux.

Начиная с Windows 7, в Windows Server появилась поддержка более 64 логических процессоров на одном компьютере. Чтобы добавить поддержку такому большому количеству процессоров, в системе ввели новую категорию, «процессорная группа». Группа – неизменный набор логических процессоров количеством не более 64 штук, которые рассматриваются планировщиком как вычислительная единица. Ядро при загрузке определяет, какой процессор к какой группе отнести, и у машин с количеством процессорных ядер менее 64 этот подход практически невозможно заметить. Один процесс может разделяться на несколько групп (например, экземпляр SQL-сервера), единственный поток в один момент времени может выполняться только в рамках одной группы.

Но на машинах, где число ядер CPU превышает 64, Windows начала демонстрировать новые узкие места, не дававшие таким требовательным приложениям, как SQL-сервер, масштабироваться линейно с ростом количества ядер процессора. Поэтому, даже при добавлении новых ядер и памяти, замеры скорости не показывали её существенного увеличения. Одной из главных проблем, связанных с этим, был спор по поводу блокировки базы диспетчера. Блокировка базы диспетчера защищала доступ к объектам, работу которых необходимо было запланировать. Среди этих объектов – потоки, таймеры, порты ввода/вывода, другие объекты ядра, подверженные ожиданию (события, семафоры, мьютексы). Под давлением необходимости разрешения таких проблем, в Windows 7 была проделана работа по устранению блокировки базы диспетчера и замене её на более точные подстройки, например, пообъектную блокировку. Это позволило таким замерам производительности, как SQL TPC-C, продемонстрировать рост скорости на 290% по сравнению с предыдущей схемой на некоторых конфигурациях. Это был один из крупнейших взлётов производительности в истории Windows, случившихся благодаря изменению единственной особенности.

Windows 10 принесло другую инновацию, внедрив наборы процессоров (CPU Sets). CPU Sets позволяют процессу разделять систему так, что процесс может распределиться на несколько групп процессоров, не позволяя другим процессам пользоваться ими. Ядро Windows даже не даёт прерываниям устройств пользоваться процессорами, входящими в ваш набор. Это гарантирует, что даже устройства не смогут исполнять свой код на процессорах, выданных группе вашего приложения. Это похоже на низкотехнологичную виртуальную машину. Понятно, что это мощная возможность, поэтому в неё встроено множество мер безопасности, чтобы разработчик приложения не допустил больших ошибок, работая с API. Функциональность наборов CPU используется в игровом режиме (Game Mode).

Наконец, мы приходим к поддержке ARM64, появившейся у Windows 10. Архитектура ARM поддерживает архитектуру big.LITTLE, гетерогенную по своей природе – «большое» ядро работает быстро и потребляет много энергии, а «малое» ядро работает медленно и потребляет меньше. Идея в том, что малозначительные задачи можно выполнять на малом ядре, экономя таким образом батарею. Для поддержки архитектуры big.LITTLE и увеличения времени работы от батареи при работе Windows 10 на ARM, в планировщик добавили поддержку гетерогенной планировки, учитывающую пожелания приложения, работающего с архитектурой big.LITTLE.

Под пожеланиями я имею в виду то, что Windows старается качественно обслуживать приложения, отслеживая потоки, выполняющиеся на переднем плане (или те, которым не хватает процессорного времени), и гарантируя их выполнение на «большом» ядре. Все фоновые задачи, сервисы, другие вспомогательные потоки выполняются на малых ядрах. Также в программе можно принудительно отметить маловажность потока, чтобы заставить его работать на малом ядре.

Работа от чужого имени [Work on Behalf]: в Windows довольно много работы на переднем плане осуществляется другими сервисами, работающими в фоне. К примеру, при поиске в Outlook сам поиск проводится фоновым сервисом Indexer. Если мы просто запустим все сервисы на малом ядре, пострадает качество и скорость работы приложений на переднем плане. Чтобы при таких сценариях работы она не замедлялась на архитектурах big.LITTLE, Windows отслеживает вызовы приложения, поступающие к другим процессам, чтобы выполнять работу от их имени. В таком случае мы выдаём приоритет переднего плана потоку, относящемуся к сервису, и заставляем его выполняться на большом ядре.

На этом позвольте закончить первую статью о ядре Windows, дающую обзор работы планировщика. Статьи со сходными техническими подробностями о внутренней работе ОС последуют позже.

Источник

Насколько сложный программный код у Windows?

Чтобы разобраться вопросе, насколько может быть сложным программный код «Виндовс» мы обратились к одному из разработчиков команды Windows NT в компании Microsoft — Кену Греггу (Ken Gregg).

Кен Грегг (Ken Gregg), разработчик в составе группы Windows NT

«Могу сказать вам, что у меня был доступ к исходному коду, когда я был в команде Windows NT (NT является основой для всех настольных версий Windows начиная с XP), во время проектов разработки NT 3.1 и NT 3.5. Всё было в рамках стандартов кодирования NT Workbook — эдакой «библии» для всей проектной команды.

. Хотя я и не читал каждую строку кода, но то, с чем мне пришлось работать, было очень:

Нужно исходить из того, что именно понимается под сложностью кода. Это понимание сугубо субъективное, ведь так? Благо существует множество различных метрик, используемых и комбинируемых для измерения сложности программного обеспечения в тех или иных ситуациях (та же самая модульность, многоуровневость и обслуживаемость).

Насколько сложна Windows в программном коде?

Конечно, чтобы прочитать и понять код, вам нужно было бы иметь представление об общей архитектуре Windows NT.

Вероятно, лучшим источником информации о внутренностях Windows сегодня являются книги Windows Internals 6th Edition (в двух томах).

Некоторые люди просто приравнивают сложность кода к размеру. У этого сравнения тоже есть метрика — строки кода (LOC).

Измерение LOC зависит от используемых инструментов и критериев. Их выбирают для точного определения строк кода на каждом языке программирования.

Кен Грегг (Ken Gregg)

«Существует много споров о методах, используемых для подсчета строк кода (LOC). Если использовать одни и те же критерии от одного выпуска к следующему, то получится относительное изменение размера базы кода.

Сравнивать эти числа с цифрами другой ОС, которая использовала другой метод подсчета строк кода, всё равно что сравнивать яблоки с апельсинами. То есть это некорректный подход».

Как менялся программный код Windows?

Как база кода Windows NT развивалась с 1993 года

MLOC — это количество миллионов строк исходного кода. По ним можно определить относительную сложность операционной системы, если опираться на размеры кода (LOC-методика).

Исходный код Windows состоит в основном из C и C++, а также небольшого количества кода на ассемблере.

Некоторые из утилит пользовательского режима и другие подобные службы пишутся на Си Шарп, но это относительно небольшой процент от общей базы кода.

Кен Грегг (Ken Gregg)

«Я намеренно не включил в список 16-битные версии ОС, выпущенные с 1985 по 2000 годы. Windows NT была основой для всех современных 32-бит и 64-бит версий Windows. Количество строк кода в серверных версиях было таким же, как и в несерверных версиях, выпущенных в том же году (то есть они имели одинаковую базу исходного кода)».

Несколько слов про ядро Windows NT

По словам Кена, работа над ядром NT началась в 1988 году. Ядро было создано с нуля в качестве 32-разрядной упреждающей многозадачной ОС.

Ядро NT впервые загрузилось в июле 1989 года на процессоре Intel i860 RISC. С самого начала был сильный толчок к тому, чтобы новая ОС была совместимой с различными архитектурами центральных процессоров и не была привязана только к архитектуре Intel x86 (IA-32).

NT в конечном итоге работал на MIPS, DEC Alpha, PowerPC, Itanium и, конечно, Intel x86 и x64.

Некоторая сложность была добавлена в базу кода на уровне абстрагирования оборудования (HAL). Это было нужно для поддержки неинтеловских архитектур.

А как вы оцениваете перспективы Windows в плане кода? Узнайте, какие версии Windows актуальны сейчас и какие ОС можно рассмотреть в качестве альтернативы.

Есть проблемы при использовании Windows и непонятен программный код для внедрения новых бизнес-инструментов в ОС от Microsoft? Проконсультируйтесь с экспертами по ИТ-аутсорсингу и получите поддержку по любым техническим вопросам и задачам.

Источник

Архитектура ОС Windows и Linux

Добрый день Пикабушники!

Сегодня я решил показать Вам различия между ядрами операционных систем Windows и Linux.

Начнем с относительно простого ядра Linux.

Теперь перейдем к Windows:

Как видим структура ядра намного более сложная. Преимущество это или недостаток? Каждый решает для себя сам. Программа под Windows обращается через документированный Windows API к «своей» библиотеке (например Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll), эти библиотеки по внутреннему протоколу (документация для разработчиков не из Microsoft не доступна) обращается по протоколу Native API к Ntdll.dll и далее передается через диспетчер системных сервисов ядру (все это внутри Ntoskrnl.exe).

Не менее важным является включение графической подсистемы в ядро (в современных серверных ОС данная система отключена или отсутствует), что во-первых не дает сменить графическую оболочку «на ходу», а во-вторых уже не способствует быстродействию.

Источник

Windows 8

Windows 8 – новейшая операционная система от корпорации Microsoft, предназначенная для использования на персональных компьютерах, в том числе с сенсорными дисплеями.

Ядро Windows 8 имеет номер версии 6.2 и его код основан на коде ядра Windows 7 (имеющего номер версии 6.1) с небольшими изменениями.

Основные особенности

Интерфейс

Самым заметным отличием новой системы от Windows 7 является, конечно, интерфейс Modern UI, который используется при старте системы вместо привычного рабочего стола (рис.3.1).

Впервые Modern UI появился в Windows Phone 7 в 2010 году. Принцип, используемый в этом интерфейсе, – на первом месте содержание, а не графическое оформление. Поэтому в Modern UI минимизировано использование элементов интерфейса – кнопок и меню; вместо иконок используются плитки (tiles), внутри которых текст выводится при помощи легко читаемых шрифтов, а для динамичного отображения информации широко используется анимация.

Традиционный рабочий стол также присутствует – его можно вызвать, щелкнув на плитку Desktop. Обратно к интерфейсу Modern UI можно вернуться, подведя указатель мыши в левый нижний угол экрана (один из четырех «активных углов») или нажав кнопку Windows на клавиатуре.

Другим изменением в интерфейсе стало использование Ribbon Interface (Ленточный интерфейс) в Проводнике Windows (рис.3.2).

Учетные записи

На компьютер под управлением Windows 8 можно войти, используя учетную запись Microsoft (Live ID). При этом становятся доступны все связанные с учетной записью сервисы – SkyDrive, Outlook.com, Microsoft Messenger, Facebook, LinkedIn, Twitter и др.

С помощью использования Live ID доступна функция семейной безопасности и родительского контроля (Microsoft Family Safety).

Безопасность

Программа Защитник Windows (Windows Defender), которая ранее обладала только антишпионскими функциями, теперь стала ещё и антивирусом.

Поддерживается механизм безопасной загрузки на системах с UEFI (Unified Extensible Firmware Interface – унифицированный расширенный интерфейс для встроенного программного обеспечения; стандарт, предназначенный для замены BIOS), путем проверки целостности загрузчика Windows. Таким образом, предотвращаются попытки вредоносных программ перехватить управление до загрузки системы.

Диспетчер задач

Диспетчер задач (Task Manager) существенно изменен по сравнению с предыдущими версиями: добавлены подробности по текущему использованию ресурсов, добавлена вкладка Автозапуск (Startup), добавлена вкладка истории использования приложениями различных ресурсов (App history) (рис.3.3).

История файлов

Функция История файлов (File history) автоматически сохраняет копии изменяемых файлов, так что при необходимости можно откатить изменения и вернуться к старым версиям файлов.

Восстановление системы

Добавлены две функции по восстановлению системы без использования носителей с дистрибутивом – Обновление (Refresh) и Сброс (Reset). При Обновлении система переустанавливается с сохранением пользовательских файлов и настроек; при Сбросе диск форматируется и система устанавливается с нуля.

Storage Spaces

Функция Storage Spaces позволяет объединять физические диски, построенные по разным технологиям (SATA, USB, SAS), в единый виртуальный диск с автоматическим резервированием информации.

Версии Windows 8

Планируется выпуск четырех версий Windows 8:

Минимальные системные требования для Windows 8 практически совпадают с требованиями для Windows 7:

Разработка приложений для Windows 8

Для Windows 8 стала возможной разработка нового типа Windows приложений – приложений в стиле Modern UI (см. раздел на MSDN [MSDN Apps]).

Особенности приложений в стиле Modern UI

У приложений в стиле Modern UI есть ряд особенностей, которые отличают их от традиционных Windows-приложений:

Инструменты

Для написания приложений в стиле Modern UI можно использовать среду разработки Visual Studio 2012, средство для создания пользовательского интерфейса Blend, шаблоны проектов Visual Studio (http://msdn.microsoft.com/ru-RU/windows/apps/br229516.aspx).

Поддерживаемые языки программирования – C#, С++, Visual Basic, JavaScript. Для разработки приложений, требующих эффективной работы с графикой, можно использовать Microsoft DirectX 11.

Для интеграции приложения с сервисами Hotmail, Windows Live Messenger, Microsoft SkyDrive и др. применяется Live SDK – набор специализированных API для доступа к информации пользователя этих сервисов.

Для более подробной информации см. [MSDN Apps; Лутай и др.; Techdays].

Резюме

Рассмотрены ключевые особенности и версии новейшей операционной системы Microsoft Windows 8. Приводится также информация о разработке приложений в стиле нового интерфейса Modern UI.

В следующей лекции мы переходим к изучению внутреннего устройства Windows и начинаем с рассмотрения архитектуры системы.

Источник