一些Windows系统的知识（未完待续）

这是最近看到的关于Windows系统的一些知识：

 

为了实现可移植性，Windows在设计时被设计为软件分层的体系结构，除了硬件抽象层（HAL），操作系统中的其他组件几乎和硬件没有关联性。在移植过程中，只需要修改相关的硬件抽象层以迎合新硬件即可。

 

Windows一直以来都有着一致的Win32 API接口，尽管各版本Windows的API实现 方法有所不同，但它们都保持着一贯的名称和调用接口。体现了Windows的兼容性。

 

用户模式和内核模式的划分设计，使得Windows拥有良好的健壮性和可靠性。所有用户程序只能运行在特权级别低的用户模式，所有错误操作都会被操作系统检测到，并给出相应提示与建议。操作系统的核心代码均运行与特区级别高的内核模式下。值得一提的是，任何涉及操作硬件的操作，应用程序都无法在用户模式下完成。API是操作系统提供给应用程序的唯一接口，当应用程序想要访问硬件设备时，必须通过API向操作系统提出申请，只有当校验参数合法时，操作系统才会通过应用程序的请求许可。

 

操作系统内核只负责关于线程调度的工作，而系统的其他诸如内存管理组件、进程管理组件等其他独立于内核的，我们称之为执行程序组件，他们都是独立于内核而工作的组件。

 

Windows的I/O操作是基于异步设计的，线程在发起一个I/O请求时，可以不等待这个I/O操作结束，就发起另外的I/O请求，最大限度的利用CPU的时间资源；同时也是基于多进程和多线程的，并且尽可能使多个任务并行执行，当内核进行线程调度时尽可能多的让个线程保持看上去同时运行，而不是出于等待状态，这样可以将处理器的等待时间最小化，最大限度的发挥CPU的功能。

 

Intel x86架构的CPU分为4个特权层，Ring 0层到Ring 3层，其中，Ring 0层的特权最高，可以执行任意代码，而Ring 3层只能执行有限的代码。在Windows系统中，内核模式运行在Ring 0层，用户模式运行在Ring 3层。这样一来，核心代码运行在内核模式下，可最大限度防止系统核心组件受到恶意攻击。

 

和大多数现代操作系统一样，Windows操作系统的总体设计也是居于分层设计思路的，每层由若干个组件组成，。操作系统作为一个整体，依赖于上层组件对下层组件向下一层组件的调用，而且不同的组件都有其固定的的接口，靠近上层的组件将任务转化成对底层组件的调用，因为底层组件具有更高的操作权限。系统的各个组件或者模块是通过消息进行通信的。

 

Windows系统采用了微内核操作以系统结构，它基于C/S模式，采用面向对象技术，应用“机制与策略分离原理”，拥有足够小的内核。能有效的实现进程（线程）管理，低级存储器管理和中断与陷入处理等功能，在提高系统可扩展性，增强系统可靠性，可移植性，融入了面向对象技术，同时还提供了对分布式系统的支持。

 

下图是Windows操作系统的简化结构：

 

 

从图中可以看出，在用户模式下，应用程序调用各个子系统的API接口，而其他子系统通过Win32 子系统的接口来实现。Win32子系统将API函数转化为Native API函数，由Native API接口将这种调用转化为系统服务函数的调用，穿过了用户模式和内核模式的界面，将操作（调用）请求通过系统服务函数（位于ntdll.dll中）传递到系统内核，在通过系统内核向硬件发生相关指令完成操作。

每当应用程序需要用到内核或内核的扩展模块所提供的的服务时，应用程序通过硬件指令从用户模式切换到内核模式中，当系统内核完成了所请求的服务以后，控制权又回到了用户模式。

 

内核模式下，由I/O管理器，对象管理器，进程管理器，虚拟内存管理器，即插即用管理器，安全引用管理器，配置管理器（注册表）缓存管理器，本地过程调用（LPC），文件系统以及其他组件组成的执行体组件，提供了大量的内核函数提供驱动程序调用。内核组要负责进程和线程的调度，中断和异常处理，同步对象以及各种同步机制。而驱动程序通过硬件抽象层（HAL）简介与硬件进行相关操作。

执行体组件和和内核层位于同一个二进制模块，称为ntoskrnl.exe，是内核的基本模块。内核层实现操作系统的基本机制，所有的策略决定留给执行体。应用程序通过ntdll.dll切换到内核模式下的执行体API函数中，以调用内系统中的服务。Ntdll.dll是连接用户模式代码和内核模式系统服务的桥梁。

 

在Win32 系统中，内核代码可以完全访问当前进程的4GB虚拟地址空间（0X00000000～0XFFFFFFFF），而用户代码只能访问地段的2GB虚拟地址（0X00000000~0X7FFFFFFF，若启动内核开关的话可访问3GB）。其中，2GB以下称为进程地址空间，2GB以上称为系统地址空间。而实际上，在两者之间有一快特殊的64KB地址空间，位于0X7FFF0000～0X7FFFFFFF之间，在两种模式下均不可访问。

 

Windows的微内核位于内核模块ntknrl.exe中的下层部分（上层部分为执行体），最接近于HAL层。除了负责进程、线程的调度，中断与异常处理外，它还负责同步处理器之间的行为，让系统中的处理器尽可能的忙和高效，以优化系统的性能。

Windows的内核实现了抢占式线程调度机制，按照优先级顺序将线程分配到处理器上，并且允许高优先级的线程中断或者抢占低优先级的线程。