第8章WindowsXP系统结构及资源管理

第8章WindowsXP系统结构及资源管理

8.1WindowsXP的管理工具与系统结构

8.2WindowsXP资源管理功能

本章目标理解与掌握WindowsXP管理工具：任务管理器、事件查看器、性能监视器、注册表。理解与掌握WindowsXP系统结构知识。理解与掌握WindowsXP系统的基本功能。8.1WindowsXP的管理工具与系统结构8.1.1注册表机制8.1.2任务管理器8.1.3事件查看器8.1.4性能监视工具8.1.5WindowsXP系统结构8.1.6WindowsXP的关键组件

8.1.1注册表机制注册表包含了和配置系统所需的信息，控制Windows操作和范围软件设置、安全数据库，以及各个用户的配置设定。1.注册表的逻辑结构键是注册表的主要成分，每个键对应一个键值，还可以包含若干下一级键（也称子键）。一个键值包含若干项，每个项有名称、类型和数据。键组成了注册表的层次结构，顶级的键称为根键。键在键名和路径的表示方面类似于文件。根键名存储的信息缩写HKEY_CLASSES_ROOT文件关联和组件对象模型的对象注册信息HKCRHKEY_CURRENT_USER与当前登录用户有关的信息HKCUHKEY_LOCAL_MACHINE与系统有关的信息HKLMHKEY_USER本台机器上所有账号的信息HKUHKEY_CURRENT_CONFIG与当前硬件配置有关的信息HKCC2.注册表数据数据类型子键名存储的信息REG_NONE无键值类型REG__SZ以null结束的定长unicode字符串REG_EXPAND_SZ以null结束的可变长unicode字符串REG_BINARY任意长二进制数据REG_DWORD32位数REG_DWORD_LITTLE_ENDIAN32位数，低位字节在前。等价于REG_DWORDREG_DWORD_BIG_ENDIAN32位数，高位字节在前REG_LINKunicode符号链接REG_MULTI_SZ以null结束的定长unicode字符串数组REG_RESOURCE_LISAT硬件资源列表REG_FULL_RESOURCE_DESCRIPTOR硬件资源描述REG_RESOURCE_REQUIREMENTS_LIST资源需求列表3.注册表编辑器利用WindowsXP提供的注册表编辑器regedit.exe，可以操作注册表。【例8-1】启动注册表编辑器【例8-2】查找注册表【例8-3】（1）添加新键和键值（2）更改键和键值（3）删除键和键值

（4）注册表的导入与导出4.注册表内部结构（1）储箱和储箱文件在WindowsXP内部，注册表对应多个文件，每个文件对应一个储箱（hive），每个储箱包含一个注册表树，但这里的注册表树并不与注册表编辑器显示的根键一一对应。通过注册表编辑器可以看到储箱及其对应的文件（称为储箱文件）的列表，这只要单击HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\hivelist子键即可。

（2）配置管理器配置管理器是WindowsXP内部的一个实现注册表的子系统。它负责组织储箱文件，管理注册表，并且确保注册表始终处于可恢复状态。除开用户储箱文件外，其他所有储箱文件的路径都被编码在配置管理器中。配置管理器装载储箱时，就在HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\hivelist子键的键值中记下这每个储箱文件的路径，同时创建与这些储箱链接的根键，建立注册表编辑器显示的注册表结构。当卸下储箱时，配置管理器就删除其路径。8.1.2任务管理器任务管理器是Windows系统中一个非常实用的系统工具，它提供了程序运行状态、计算机性能的关键指示器、运行进程的活动、CPU和内存的使用情况。除了可以查看上述状态，还可以显示了计算机上所运行的程序和进程的详细信息，可以显示最常用的度量进程性能的单位。此外，如果连接到网络，那么还可以查看网络状态，并迅速了解网络是如何工作的。1.任务管理器界面2.任务管理器的使用

（1）用于管理程序（2）用于管理进程（3）用于监视计算机性能8.1.3事件查看器利用事件查看器，可以搜集计算机系统中硬件、软件和系统问题方面的信息，监视WindowsXP安全性事件，将系统和应用程序运行中的事件记录到日志中，便于诊断和纠正可能发生的系统错误和问题。1.日志类型和事件类型这里所谓的事件，是指系统或应用程序需要通知用户的所有重要事情，以及要被添加到日志中的其他项目。（1）日志类型：应用程序日志；系统日志；安全性日志。（2）事件类型：错误；警告；信息；成功审核；失败审核2.事件查看器的使用（1）查看事件信息①启动事件查看器：②查看事件详细信息；③刷新详细信息窗格；④查找或筛选事件；⑤查看另一台计算机上的事件。（2）操作日志文件①设置活动日志选项；②清除活动日志内容；

③存档活动日志；④以日志文件格式保存的事件日志可以在事件查看中打开；⑤在事件日志上新建视图。（3）设定本地安全性审核项目①用“本地安全设置”设定安全性审核项目；②使用“组策略”指定要审核的安全性事件。8.1.4性能监视工具监视系统性能是WindowsXP维护和管理的重要部分。利用性能数据可以了解系统工作负荷及其对系统资源的影响，观察工作负荷和资源使用的变化和趋势，以便计划今后的系统升级；利用监视结果可以评价配置更改或其他调整的效果，辅助诊断组件和过程的问题，用于优化处理；而当计数器值超出预定范围时发出警报能提醒用户及时采取相应措施。除了提供程序运行、处理器和内存使用性能简要信息的“任务管理器”之外，WindowsXP还有专门的性能监视工具，其主要作用是监视系统性能、查看性能计数器日志和设置警告。1.性能对象、计数器和范例2.系统监视器8.1.5WindowsXP系统结构WindowsXP的系统结构融合了分层和客户机/服务器两种结构的特点，反映了现代操作系统的主要特征。1.系统模型（1）内核模式与用户模式（2）非纯粹的微内核结构（3）面向对象技术的运用

（4）对称式多处理器模型2.总体结构（1）用户模式进程基本类型（2）主要的内核模式组件（3）核心组件对应的文件

系统支持进程服务进程用户应用程序环境子系统子系统DLL用户模式内核模式执行体内核设备驱动程序硬件抽象层（HAL）窗口与图形WindowsXP系统结构示意图8.1.6WindowsXP的关键组件

1.环境子系统和系统DLL（1）环境子系统；（2）子系统DLL2.执行体和内核（1）执行体；（2）执行体组件的函数名约定；（3）内核和内核对象；（4）对硬件独立性支持3.硬件抽象层4.设备驱动程序（1）内核模式驱动程序；（2）WDM驱动程序5.系统支持进程（1）空闲进程；（2）系统进程；（3）会话管理进程（Smss）；（4）登录进程（WinLogon）、本地安全验证服务器进程（Lsass）和用户初始进程（Userinit）；（5）服务控制管理器（SCM）。8.2WindowsXP资源管理功能8.2.1WindowsXP的处理器管理8.2.2WindowsXP的内存管理8.2.3WindowsXP的文件系统8.2.4WindowsXP的I/O系统

8.2.1WindowsXP的处理器管理

WindowsXP中的处理器管理以进程和线程的管理为核心，进程是系统资源分配的基本单位，线程是处理器调度的实体。1.进程、线程和纤程（1）进程：WindowsXP中，系统为一个程序实例建立一个进程和至少一个线程。这些线程共享系统分配给进程的资源。（2）线程线程是Windows调度执行的进程内部实体。如果没有线程，进程的程序就不能运行。（3）纤程为使得应用程序不依赖于基本优先级的内容调度机制就能够调度自己的线程执行，WindowsXP中还设立了纤程（Fiber）。从调度角度看，纤程也被称为“轻量经”的线程，它们对于内核是不可见的，因为它们是在用户模式下实现的。2.进程控制WindowsXP的各环境子系统都有相应的系统调用函数来实现进程控制，例如，CreateProcess、ExitProcess和TerminateProcess。

3.进程的同步和互斥（1）同步对象WindowsXP中提供了互斥对象、信号量对象和事件对象3种同步对象和相应的系统调度，用于进程和线程的同步。（2）同步相关机制WindowsXP还提供了一些与进程同步相关的机制，例如临界区对象和互锁对象访问API等。4.进程通信WindowsXP提供了多种进程通信机制，用于不同场合的需要，主要介绍已下五种：（1）信号（2）共享内存区（3）管道（4）邮件槽（5）套接字5.线程调度WindowsXP中，系统的处理器调度对象是线程，采用基于优先级的可抢占调度策略。（1）线程的优先级（2）线程时间片（3）线程状态（4）抢先6.WindowsXP中的作业WindowsXP中，作业对象是可命名的，安全的和可共享的内核对象，它的基本功能是允许将若干个进程作为一个单元来管理和控制。8.2.2WindowsXP的内存管理WindowsXP中的内存管理包括内存管理器、进程虚拟内存空间、地址转换、内存的分配一和回收、工作集机制和物理内存的管理。1.内存管理管理器WindowsXP的内存管理主要由内存管理器负责，与具体API有关的一些用户模式功能则由环境子系统实现。内存管理器是执行体中的一部分，位于Ntoskrnl.exe文件中。内存管理器有两个主要任务：将进程的虚拟地址映射到物理内存中，当要求的内存量大于实际的可用量时进行页面交换。（1）组成部分①一组执行体系统服务；②一个转换无效和访问错误陷阱处理器；③几个关联组件：（2）同步机制的使用：与WindowsXP执行体中所有其他组件一样，内存管理器在多处理器系统上是完全可以重入的，且支持多进程并发执行。（3）相关的内存变量：控制内存管理器策略决策的许多阈值和限制，是在系统引导是根据内存大小和产品类型计算出来的。（4）提供的服务：内存管理器提供了一组服务来完成内存管理任务，这些服务大多数通过WindowsAPI供客户使用。2.地址空间布局

WindowsXP采用虚拟存储技术。它的32位版本中，每个进程的虚拟地址空间可达到4GB（232B）。在默认情况下，其中低端的2GB为专用的用户地址空间，高端的2GB是系统地址空间。用户的地址空间可被用户模式和内核模式线程访问，而系统地址空间只能被内核模式代码访问。3.地址转换机制用户应用程序以32位虚拟地址方式编址，利用内存管理器创建和维护的数据结构将虚拟地址转换为物理地址。默认情况下，WindowsXP使用二级页表结构来实现虚拟地址向物理地址转换。4.内存分配（1）用户空间：WindowsXP中有3种管理应用程序内存的方法：以页面为单位的虚拟内存分配方法，适合于大型对象或结构数据；区域对象方法，适合于大型数据流文件以及进程之间的数据共享；内存堆方法，适合于大量的小型内存申请。（2）系统内存分配：WindowsXP的系统空间包含两种内存池：换页池和非换页池，内核模式组件可以用它们来分配系统内存。

5.工作集管理如果能够预知程序在某段时间内要访问那些页面，并将它们提前调入内存，这将降低缺率，提高CPU利用率。引入工作集能够起到这个效果。工作集是驻留在物理内存中的虚拟页面子集，除了进程工作集和系统工作集两种外，为了支持终端服务程序所进行的内核扩展，WindowsXP还设立了会话工作集。6.物理内存管理WindowsXP中，工作集描述了进程或系统拥有的驻留页面，而页框号（PEN）数据库描述了物理内存中页面的状态。PFN数据库中的每个项描述一个物理页面，有效的PTE（页表项）指向PFN数据库中的项，而PFN数据库中的项指向利用它们的页表。7.内存保护WindowsXP通过以下4种方法提供内存保护。（1）全局页面保护所有被内核模式系统组件用到的系统全局范围的数据结构和内存池，只有在内核模式下才可以访问；（2）进程地址空间保护每个进程有一个独立的、受保护的、私有地址空间，任何属于其他进程的线程都不能访问这个地址空间。（3）硬件控制的保护对虚拟地址到物理地址的转换过程提供了隐式的保护，此外，Windows支持的所有处理器还提供了某种形式的由硬件控制的内存保护。（4）共享内存区保护共享内存区对象具有标准的Windows访问控制列表ACL，当进程试图打开这些区对象时，该ACL将会被检查，从而保证了只有那些具有适当权限的进程才可以访问共享内存。8.2.3WindowsXP的文件系统WindowsXP支持多种文件系统，除了原生的Windows文件系统NTFS以外，还支持CD-ROM文件系统（CDFS）、通用磁盘格式（UDF）和FAT文件系统。先了解几个术语。（1）扇区：是存储介质上呆由硬件寻址的块。（2）分区：是磁盘上连续扇区的集合。（3）简单卷：代表一个分区的所有扇区，文件系统程序将它作为一个单元来管理。（4）多分区卷：代表多个分区的所有扇区，文件系统驱动程序将它作为一个单元来管理。（5）簇：许多文件系统格式使用的可寻址数据块。（6）文件系统格式：定义了文件数据在存储介质上的存储方式，它影响文件系统的特性。（7）元数据：是为文件系统格式管理而存储的在卷上的数据，应用程序无法访问。1.NTFS的卷和簇NTFS以卷为基础，当以NTFS格式来格式化磁盘分区时就创建了NTFS卷。分区是磁盘的基本组成部分，是一个被格式化和单独使用的逻辑单元。NTFS与FAT文件系统一样，也是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单位。NTFS卷上簇的大小是用户在格式卷时确定的，默认的簇的大小随卷的大小而不同，但都是整数倍，且总是2的幂。簇大小被表示成所含字节数，NTFS中最小的是512B，最大可达64KB。NTFS使用逻辑簇号（LCN）和虚拟符号（VCN）来进行簇的定位。LCN是地整个卷中所有的簇按顺序进行编号。簇大小乘以LCN就是簇在卷上的字节偏移量，从而得到物理磁盘地址。VCN则是地属于特定文件的簇从0开始按顺序进行编号，可用来引用文件中的数据，VCN被映射成LCN，不必要求在物理上连续。2.主文件表每个NTFS卷有个主文件表（MFT），它包含了该卷中所有文件信息。MFT被实现为一个这长记录文件，不管簇的大小如何，每个MFT记录大小都是1KB，卷上的每个文件（包括MFT本身）都有一个MFT记录。3.NTFS的文件实现机制在NTFS卷上，每个文件都有一个64位的唯一标识，称为文件引用。NTFS将文件作为属性/值对的集合，文件包含的数据就是其中的一个属性（未命名属性）的值，文件夹其他属性都命名的，包括文件名和文件时间戳（如文件的创建时间和最近一次修改时间）等。每个属性都被作为文件内部的一个独立字节流。严格地说，NTFS读写的不是文件，而是属性流。

4.NTFS的目录实现机制在NTFS中，文件目录仅仅是文件名的一个索引。NTFS使用了一种特殊的方式把文件组织起来，以便快速访问。一个目录的MFT记录将该目录中的文件名和子目录名进行排序，并保存在索引根属性中。小目录的属性都可以驻留在MFT中，其索引根属性可以包括其中所有文件和子目录的索引，一个大目录可能包括非驻留属性MFT记录若没有足空间来存储大目录的索引，其中一部分索引存放在索引根属性中，而另一部分则存放在称为索引缓冲区的延展中。8