第8章WindowsXP系統結構及資源管理

8.1WindowsXP的管理工具與系統結構

8.2WindowsXP資源管理功能

本章目標理解與掌握WindowsXP管理工具：任務管理器、事件查看器、性能監視器、注冊表。理解與掌握WindowsXP系統結構知識。理解與掌握WindowsXP系統的基本功能。8.1WindowsXP的管理工具與系統結構8.1.1注冊表機制8.1.2任務管理器8.1.3事件查看器8.1.4性能監視工具8.1.5WindowsXP系統結構8.1.6WindowsXP的關鍵組件

8.1.1注冊表機制注冊表包含了和配置系統所需的信息，控制Windows操作和范圍軟件設置、安全數據庫，以及各個用戶的配置設定。1.注冊表的邏輯結構鍵是注冊表的主要成分，每個鍵對應一個鍵值，還可以包含若干下一級鍵（也稱子鍵）。一個鍵值包含若干項，每個項有名稱、類型和數據。鍵組成了注冊表的層次結構，頂級的鍵稱為根鍵。鍵在鍵名和路徑的表示方面類似于文件。根鍵名存儲的信息縮寫HKEY_CLASSES_ROOT文件關聯和組件對象模型的對象注冊信息HKCRHKEY_CURRENT_USER與當前登錄用戶有關的信息HKCUHKEY_LOCAL_MACHINE與系統有關的信息HKLMHKEY_USER本臺機器上所有賬號的信息HKUHKEY_CURRENT_CONFIG與當前硬件配置有關的信息HKCC2.注冊表數據數據類型子鍵名存儲的信息REG_NONE無鍵值類型REG__SZ以null結束的定長unicode字符串REG_EXPAND_SZ以null結束的可變長unicode字符串REG_BINARY任意長二進制數據REG_DWORD32位數REG_DWORD_LITTLE_ENDIAN32位數，低位字節在前。等價于REG_DWORDREG_DWORD_BIG_ENDIAN32位數，高位字節在前REG_LINKunicode符號鏈接REG_MULTI_SZ以null結束的定長unicode字符串數組REG_RESOURCE_LISAT硬件資源列表REG_FULL_RESOURCE_DESCRIPTOR硬件資源描述REG_RESOURCE_REQUIREMENTS_LIST資源需求列表3.注冊表編輯器利用WindowsXP提供的注冊表編輯器regedit.exe，可以操作注冊表。【例8-1】啟動注冊表編輯器【例8-2】查找注冊表【例8-3】（1）添加新鍵和鍵值（2）更改鍵和鍵值（3）刪除鍵和鍵值

（4）注冊表的導入與導出4.注冊表內部結構（1）儲箱和儲箱文件在WindowsXP內部，注冊表對應多個文件，每個文件對應一個儲箱（hive），每個儲箱包含一個注冊表樹，但這里的注冊表樹并不與注冊表編輯器顯示的根鍵一一對應。通過注冊表編輯器可以看到儲箱及其對應的文件（稱為儲箱文件）的列表，這只要單擊HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\hivelist子鍵即可。

（2）配置管理器配置管理器是WindowsXP內部的一個實現注冊表的子系統。它負責組織儲箱文件，管理注冊表，并且確保注冊表始終處于可恢復狀態。除開用戶儲箱文件外，其他所有儲箱文件的路徑都被編碼在配置管理器中。配置管理器裝載儲箱時，就在HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\hivelist子鍵的鍵值中記下這每個儲箱文件的路徑，同時創建與這些儲箱鏈接的根鍵，建立注冊表編輯器顯示的注冊表結構。當卸下儲箱時，配置管理器就刪除其路徑。8.1.2任務管理器任務管理器是Windows系統中一個非常實用的系統工具，它提供了程序運行狀態、計算機性能的關鍵指示器、運行進程的活動、CPU和內存的使用情況。除了可以查看上述狀態，還可以顯示了計算機上所運行的程序和進程的詳細信息，可以顯示最常用的度量進程性能的單位。此外，如果連接到網絡，那么還可以查看網絡狀態，并迅速了解網絡是如何工作的。1.任務管理器界面2.任務管理器的使用

（1）用于管理程序（2）用于管理進程（3）用于監視計算機性能8.1.3事件查看器利用事件查看器，可以搜集計算機系統中硬件、軟件和系統問題方面的信息，監視WindowsXP安全性事件，將系統和應用程序運行中的事件記錄到日志中，便于診斷和糾正可能發生的系統錯誤和問題。1.日志類型和事件類型這里所謂的事件，是指系統或應用程序需要通知用戶的所有重要事情，以及要被添加到日志中的其他項目。（1）日志類型：應用程序日志；系統日志；安全性日志。（2）事件類型：錯誤；警告；信息；成功審核；失敗審核2.事件查看器的使用（1）查看事件信息①啟動事件查看器：②查看事件詳細信息；③刷新詳細信息窗格；④查找或篩選事件；⑤查看另一臺計算機上的事件。（2）操作日志文件①設置活動日志選項；②清除活動日志內容；

③存檔活動日志；④以日志文件格式保存的事件日志可以在事件查看中打開；⑤在事件日志上新建視圖。（3）設定本地安全性審核項目①用“本地安全設置”設定安全性審核項目；②使用“組策略”指定要審核的安全性事件。8.1.4性能監視工具監視系統性能是WindowsXP維護和管理的重要部分。利用性能數據可以了解系統工作負荷及其對系統資源的影響，觀察工作負荷和資源使用的變化和趨勢，以便計劃今后的系統升級；利用監視結果可以評價配置更改或其他調整的效果，輔助診斷組件和過程的問題，用于優化處理；而當計數器值超出預定范圍時發出警報能提醒用戶及時采取相應措施。除了提供程序運行、處理器和內存使用性能簡要信息的“任務管理器”之外，WindowsXP還有專門的性能監視工具，其主要作用是監視系統性能、查看性能計數器日志和設置警告。1.性能對象、計數器和范例2.系統監視器8.1.5WindowsXP系統結構WindowsXP的系統結構融合了分層和客戶機/服務器兩種結構的特點，反映了現代操作系統的主要特征。1.系統模型（1）內核模式與用戶模式（2）非純粹的微內核結構（3）面向對象技術的運用

（4）對稱式多處理器模型2.總體結構（1）用戶模式進程基本類型（2）主要的內核模式組件（3）核心組件對應的文件

系統支持進程服務進程用戶應用程序環境子系統子系統DLL用戶模式內核模式執行體內核設備驅動程序硬件抽象層（HAL）窗口與圖形WindowsXP系統結構示意圖8.1.6WindowsXP的關鍵組件

1.環境子系統和系統DLL（1）環境子系統；（2）子系統DLL2.執行體和內核（1）執行體；（2）執行體組件的函數名約定；（3）內核和內核對象；（4）對硬件獨立性支持3.硬件抽象層4.設備驅動程序（1）內核模式驅動程序；（2）WDM驅動程序5.系統支持進程（1）空閑進程；（2）系統進程；（3）會話管理進程（Smss）；（4）登錄進程（WinLogon）、本地安全驗證服務器進程（Lsass）和用戶初始進程（Userinit）；（5）服務控制管理器（SCM）。8.2WindowsXP資源管理功能8.2.1WindowsXP的處理器管理8.2.2WindowsXP的內存管理8.2.3WindowsXP的文件系統8.2.4WindowsXP的I/O系統

8.2.1WindowsXP的處理器管理

WindowsXP中的處理器管理以進程和線程的管理為核心，進程是系統資源分配的基本單位，線程是處理器調度的實體。1.進程、線程和纖程（1）進程：WindowsXP中，系統為一個程序實例建立一個進程和至少一個線程。這些線程共享系統分配給進程的資源。（2）線程線程是Windows調度執行的進程內部實體。如果沒有線程，進程的程序就不能運行。（3）纖程為使得應用程序不依賴于基本優先級的內容調度機制就能夠調度自己的線程執行，WindowsXP中還設立了纖程（Fiber）。從調度角度看，纖程也被稱為“輕量經”的線程，它們對于內核是不可見的，因為它們是在用戶模式下實現的。2.進程控制WindowsXP的各環境子系統都有相應的系統調用函數來實現進程控制，例如，CreateProcess、ExitProcess和TerminateProcess。

3.進程的同步和互斥（1）同步對象WindowsXP中提供了互斥對象、信號量對象和事件對象3種同步對象和相應的系統調度，用于進程和線程的同步。（2）同步相關機制WindowsXP還提供了一些與進程同步相關的機制，例如臨界區對象和互鎖對象訪問API等。4.進程通信WindowsXP提供了多種進程通信機制，用于不同場合的需要，主要介紹已下五種：（1）信號（2）共享內存區（3）管道（4）郵件槽（5）套接字5.線程調度WindowsXP中，系統的處理器調度對象是線程，采用基于優先級的可搶占調度策略。（1）線程的優先級（2）線程時間片（3）線程狀態（4）搶先6.WindowsXP中的作業WindowsXP中，作業對象是可命名的，安全的和可共享的內核對象，它的基本功能是允許將若干個進程作為一個單元來管理和控制。8.2.2WindowsXP的內存管理WindowsXP中的內存管理包括內存管理器、進程虛擬內存空間、地址轉換、內存的分配一和回收、工作集機制和物理內存的管理。1.內存管理管理器WindowsXP的內存管理主要由內存管理器負責，與具體API有關的一些用戶模式功能則由環境子系統實現。內存管理器是執行體中的一部分，位于Ntoskrnl.exe文件中。內存管理器有兩個主要任務：將進程的虛擬地址映射到物理內存中，當要求的內存量大于實際的可用量時進行頁面交換。（1）組成部分①一組執行體系統服務；②一個轉換無效和訪問錯誤陷阱處理器；③幾個關聯組件：（2）同步機制的使用：與WindowsXP執行體中所有其他組件一樣，內存管理器在多處理器系統上是完全可以重入的，且支持多進程并發執行。（3）相關的內存變量：控制內存管理器策略決策的許多閾值和限制，是在系統引導是根據內存大小和產品類型計算出來的。（4）提供的服務：內存管理器提供了一組服務來完成內存管理任務，這些服務大多數通過WindowsAPI供客戶使用。2.地址空間布局

WindowsXP采用虛擬存儲技術。它的32位版本中，每個進程的虛擬地址空間可達到4GB（232B）。在默認情況下，其中低端的2GB為專用的用戶地址空間，高端的2GB是系統地址空間。用戶的地址空間可被用戶模式和內核模式線程訪問，而系統地址空間只能被內核模式代碼訪問。3.地址轉換機制用戶應用程序以32位虛擬地址方式編址，利用內存管理器創建和維護的數據結構將虛擬地址轉換為物理地址。默認情況下，WindowsXP使用二級頁表結構來實現虛擬地址向物理地址轉換。4.內存分配（1）用戶空間：WindowsXP中有3種管理應用程序內存的方法：以頁面為單位的虛擬內存分配方法，適合于大型對象或結構數據；區域對象方法，適合于大型數據流文件以及進程之間的數據共享；內存堆方法，適合于大量的小型內存申請。（2）系統內存分配：WindowsXP的系統空間包含兩種內存池：換頁池和非換頁池，內核模式組件可以用它們來分配系統內存。

5.工作集管理如果能夠預知程序在某段時間內要訪問那些頁面，并將它們提前調入內存，這將降低缺率，提高CPU利用率。引入工作集能夠起到這個效果。工作集是駐留在物理內存中的虛擬頁面子集，除了進程工作集和系統工作集兩種外，為了支持終端服務程序所進行的內核擴展，WindowsXP還設立了會話工作集。6.物理內存管理WindowsXP中，工作集描述了進程或系統擁有的駐留頁面，而頁框號（PEN）數據庫描述了物理內存中頁面的狀態。PFN數據庫中的每個項描述一個物理頁面，有效的PTE（頁表項）指向PFN數據庫中的項，而PFN數據庫中的項指向利用它們的頁表。7.內存保護WindowsXP通過以下4種方法提供內存保護。（1）全局頁面保護所有被內核模式系統組件用到的系統全局范圍的數據結構和內存池，只有在內核模式下才可以訪問；（2）進程地址空間保護每個進程有一個獨立的、受保護的、私有地址空間，任何屬于其他進程的線程都不能訪問這個地址空間。（3）硬件控制的保護對虛擬地址到物理地址的轉換過程提供了隱式的保護，此外，Windows支持的所有處理器還提供了某種形式的由硬件控制的內存保護。（4）共享內存區保護共享內存區對象具有標準的Windows訪問控制列表ACL，當進程試圖打開這些區對象時，該ACL將會被檢查，從而保證了只有那些具有適當權限的進程才可以訪問共享內存。8.2.3WindowsXP的文件系統WindowsXP支持多種文件系統，除了原生的Windows文件系統NTFS以外，還支持CD-ROM文件系統（CDFS）、通用磁盤格式（UDF）和FAT文件系統。先了解幾個術語。（1）扇區：是存儲介質上呆由硬件尋址的塊。（2）分區：是磁盤上連續扇區的集合。（3）簡單卷：代表一個分區的所有扇區，文件系統程序將它作為一個單元來管理。（4）多分區卷：代表多個分區的所有扇區，文件系統驅動程序將它作為一個單元來管理。（5）簇：許多文件系統格式使用的可尋址數據塊。（6）文件系統格式：定義了文件數據在存儲介質上的存儲方式，它影響文件系統的特性。（7）元數據：是為文件系統格式管理而存儲的在卷上的數據，應用程序無法訪問。1.NTFS的卷和簇NTFS以卷為基礎，當以NTFS格式來格式化磁盤分區時就創建了NTFS卷。分區是磁盤的基本組成部分，是一個被格式化和單獨使用的邏輯單元。NTFS與FAT文件系統一樣，也是以簇作為磁盤空間分配和回收的基本單位。NTFS卷上簇的大小是用戶在格式卷時確定的，默認的簇的大小隨卷的大小而不同，但都是整數倍，且總是2的冪。簇大小被表示成所含字節數，NTFS中最小的是512B，最大可達64KB。NTFS使用邏輯簇號（LCN）和虛擬符號（VCN）來進行簇的定位。LCN是地整個卷中所有的簇按順序進行編號。簇大小乘以LCN就是簇在卷上的字節偏移量，從而得到物理磁盤地址。VCN則是地屬于特定文件的簇從0開始按順序進行編號，可用來引用文件中的數據，VCN被映射成LCN，不必要求在物理上連續。2.主文件表每個NTFS卷有個主文件表（MFT），它包含了該卷中所有文件信息。MFT被實現為一個這長記錄文件，不管簇的大小如何，每個MFT記錄大小都是1KB，卷上的每個文件（包括MFT本身）都有一個MFT記錄。3.NTFS的文件實現機制在NTFS卷上，每個文件都有一個64位的唯一標識，稱為文件引用。NTFS將文件作為屬性/值對的集合，文件包含的數據就是其中的一個屬性（未命名屬性）的值，文件夾其他屬性都命名的，包括文件名和文件時間戳（如文件的創建時間和最近一次修改時間）等。每個屬性都被作為文件內部的一個獨立字節流。嚴格地說，NTFS讀寫的不是文件，而是屬性流。

4.NTFS的目錄實現機制在NTFS中，文件目錄僅僅是文件名的一個索引。NTFS使用了一種特殊的方式把文件組織起來，以便快速訪問。一個目錄的MFT記錄將該目錄中的文件名和子目錄名進行排序，并保存在索引根屬性中。小目錄的屬性都可以駐留在MFT中，其索引根屬性可以包括其中所有文件和子目錄的索引，一個大目錄可能包括非駐留屬性MFT記錄若沒有足空間來存儲大目錄的索引，其中一部分索引存放在索引根屬性中，而另一部分則存放在稱為索引緩沖區的延展中。8