Slides Grupo 3 - Blog UNIFIMES

Sistemas Operacionais II
Weig
Tatiele
Ludmila
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
Windows Vista consiste em componentes no modo
nucleo e componentes no modo usuario.
Componentes de modo usuário
Existem três tipos importantes de componentes para o
Windows de maneira singular:
1. Subsistemas de ambiente
2. DLLs
3. Processos de serviço
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 No projeto original do NT, os subsistemas eram vistos
como uma maneira de dar suporte a varias
personalidades de sistemas operacionais com o mesmo
software de fundamento sendo executando no modo
núcleo.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 Talvez essa tenha sido uma tentativa de evitar que os
sistemas operacionais competissem pela mesma
plataforma, como o VMS e o Berkeley Unix fizeram
com o VAX da DEC.
 Talvez ninguém na Microsoft soubesse que o OS/2
teria sucesso como uma interface de programação, e
então estavam protegendo suas apostas.
 Em qualquer dos casos, o OS/2 tornou se irrelevante e
um retardatário, e a API do Win32, projetada para ser
compartilhada com o Windows 95 virou dominante.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 Um segundo aspecto chave do projeto do modo de
usuário do Windows é a biblioteca de ligação dinâmica
(DDL) que é código sendo ligado a programas
executáveis em tempo real em vez de tempo de
compilação.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 As bibliotecas compartilhadas não são um conceito
novo e a maior parte dos sistemas operacionais
modernos as utiliza.
 No Windows quase todas as bibliotecas são DLLs,
desde a biblioteca de sistema ntdll.dll que é carregado
em todo processo, até as bibliotecas de altos níveis de
funções comuns que se destinam a permitir a
reutilização de código por desenvolvedores de
aplicações.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
As DLLs
 aumentam a eficiência do sistema permitindo que
código comum seja compartilhado entre processos
 reduzem os tempos de carregamento dos programas
do disco mantendo na memória os códigos usados com
freqüência
 e aumentam a capacidade de manutenção do sistema,
permitindo que o código de bibliotecas do sistema
operacional seja atualizado sem ter de recompilar ou
religar todos os programas que o utilizem.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
As DLLs
 são usadas para mais do que apenas compartilhar
códigos comuns.
 Elas habilitam um modelo de hospedagem para
estender as aplicações. O internet Explorer pode
descarregar e se ligar a DLLS chamadas controles
ActiveX. Na outra ponta da internet, servidores da
Web também carregam código dinâmico para produzir
uma experiência Web melhor para as paginas que eles
exibem.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 Todo esse carregamento dinâmico de código resultou em
uma complexidade ainda maior para o sistema operacional,
 o gerenciamento de versões de bibliotecas não é apenas um
problema de combinar um executável com as versões certas
das DLLs, mas em alguns casos carregar varias versões da
mesma DLL para um processo – o que a Microsoft chama
de lado a lado.
 Um único programa pode hospedar duas bibliotecas de
códigos dinâmicas diferentes, e cada uma pode querer
carregar a mesma biblioteca do Windows – mas ter
requisitos de versões diferentes para essa biblioteca.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 Uma solução melhor seria hospedar código em
processos separados.
 Mas a hospedagem de código fora dos processos
resulta em desempenho mais baixo e implica modelos
de programação mais complicados em muitos casos.
 A Microsoft ainda tem que desenvolver uma boa
solução para toda essa complexidade no modo usuário.
Isso faz com que alguém anseie pela relativa
simplicidade do modo núcleo.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 Uma das razoes para o modo núcleo ter menos
complexidade que o modo usuário é que ele da suporte a
poucas oportunidades de extensão fora do modelo de driver
de dispositivo.
 O Windows Vista faz uso significativo de processos de
serviços do modo usuário para estender a funcionalidade
do sistema. Alguns desses serviços são fortemente ligados
ao funcionamento dos componentes do modo núcleo,
como o lsass.exe, que é o serviço de autenticação de
segurança local, que gerencia os objetos de token que
representam a identidade do usuário, bem como gerencia
as chaves de codificação usadas pelo sistema de arquivos.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 O gerenciador de recursos pronto para usar do modo
usuário é responsável por determinar o driver correto a ser
utilizado quando um novo dispositivo de hardware é
encontrado, instalá-lo, e dizer ao núcleo para carregá-lo.
 Muitos outros recursos oferecidos por terceiros, como
antivírus e gerenciador de direitos digitais, são
implementados como uma combinação de drivers do modo
núcleo e serviços do modo usuário.
 Dentro de cada um dos processos compartilhados de
serviço, serviços individuais são carregados como DLLs.
Eles, de modo geral, dividem um tanque de threads usando
o recurso de tanque de threads do Win32, de modo que
apenas um numero mínimo de threads precise ficar sendo
executado por todos os serviços residentes.
Subsistemas, DLLs e serviços do modo usuário
 O numero de serviços sendo executados de maneira
constante no Windows é impressionante.
 No entanto, alguns desses serviços nunca recebem
uma única solicitação e, quando o fazem, é provável
que seja de um atacante tentando explorar uma
vulnerabilidade.
 Como resultado, mais e mais serviços no Windows são
desativados por padrão, em especial nas versões do
Windows Server.
Processos e Threads no Windows Vista
 No Windows Vista os processos são contentores para
programas.
 Eles detêm o espaço de endereçamento virtual, os
manipuladores que fazem referencia aos objetos do
modo núcleo, e os threads.
 Em seu papel de contentores de threads, eles detêm
recursos comuns usados para execução de threads,
como o ponteiro para a estrutura de cota, o objeto de
token compartilhado e parâmetros-padrão usados para
inicializar os threads – incluindo a classe de
escalonamento e prioridade.
Processos e Threads no Windows Vista
 Os threads são a abstração do núcleo para escalonar a CPU
no Windows.
 Prioridades são atribuídas para cada thread com base no
valor da prioridade no processo que o contem.
 Cada thread tem duas pilhas separadas de chamadas, uma
para execução no modo usuário e outra para o modo
núcleo;
 há também um TEB (bloco de ambiente de thread – thread
environment block) que mantêm os dados do modo
usuário específicos ao thread, incluindo armazenamento
por thread (armazenamento local de thread – thread local
storage) e campos para o Win32, linguagem e localização
cultural, e outros campos especializados que foram
adicionados por vários outros recursos.
Processos e Threads no Windows Vista
Processos
 Os processos são criados por objetos de seção, cada um dos
quais descreve um objeto de memória apoiado em um
arquivo no disco.
 Quando um processo é criado o processo criador recebe um
descritor para esse processo que lhe permite modificá-lo
mapeando seções, alocando memória virtual, gravando
parâmetros e dados de ambiente, duplicando
identificadores de arquivo em sua tabela de descritores e
criando threads.
 Isso é muito diferente de como os processos são criados no
UNIX e reflete a diferença entre os sistemas pretendidos
nos projetos originais do UNIX versus Windows.
Processos e Threads no Windows Vista
Tarefas e filamentos
 O Windows pode agrupar processos em tarefas, mas a
abstração de tarefas não é muito genérica.
 A propriedade mais significativa das tarefas para o
gerenciamento de recursos é que, uma vez que um
processo esteja em uma tarefa, todos os threads dos
processos que esse processo cria também estarão na
tarefa. Não há como fugir.
Processos e Threads no Windows Vista
Tarefas e filamentos
 Um processo pode estar no maximo em uma tarefa.
 O uso de tarefas no Windows é raro
 As tarefas contem processos;
 os processos contem threads,
 mas os threads não contem filamentos.
 O relacionamento dos threads com filamentos é de
modo geral de muitos para muitos.
Processos e Threads no Windows Vista
Tarefas e filamentos
 Os filamentos são criados alocando-se uma pilha e uma estrutura





de dados de filamento do modo usuário para armazenar
registradores e dados associados ao filamento.
Os threads são convertidos em filamentos, mas estes podem
também ser criados de modo independente dos threads.
Esses filamentos não serão executados até que um filamento que
já esteja sendo executado em um thread chame, de forma
explicita SwitchToFiber para executar o filamento.
A vantagem primaria dos filamentos é que o custo adicional da
troca entre filamentos é muito mais baixo que o da troca entre
threads.
Uma troca de thread requer entrada e saída do núcleo.
Uma troca de filamento grava e recupera alguns registradores
sem qualquer mudança nos modos.
Processos e Threads no Windows Vista
Threads
 Cada processo normalmente inicializa com um thread,
 mas novos threads podem ser criados de maneira
dinâmica.
 Os threads formam a base de escalonamento de CPU,
já que o sistema operacional sempre seleciona um
thread para ser executado, e não um processo.
 Como conseqüência todo thread tem um estado
(pronto, em execução, bloqueado), ao passo que os
processos não tem um estado de escalonamento.
Processos e Threads no Windows Vista
Threads
 Cada thread tem seu identificador, que é obtido do
mesmo espaço que os identificadores do processo.
 Um thread normalmente é executado no modo
usuário, mas quando ele faz uma chamada de sistema,
muda para o modo núcleo e continua a ser executado
como o mesmo thread com as mesmas propriedades e
limites que tinha no modo usuário.
 Cada thread tem duas pilhas, uma para ser usada no
modo usuário e outro para o modo núcleo.
Processos e Threads no Windows Vista
Threads
 É importante lembrar que os threads são um conceito de





escalonamento, não um conceito de posse de recurso.
Qualquer thread é capaz de acessar todos os objetos que
pertencem ao processo.
Alem dos threads normais que são executados nos processos do
usuário, o Windows tem uma serie threads de sistema que são
executados apenas no modo núcleo.
Todos esses threads de sistema são executados em um processo
especial, chamado processo de sistema.
Esse processo não tem espaço de endereçamento no modo
usuário.
Ele fornece um ambiente no qual threads são executados quando
não estão operando em nome de um processo especifico do
modo usuário.
Chamadas API de gerenciamento de
tarefa, processo, thread e filamento
 A funcionalidade fornecida pela API do Windows
podem ser agrupados em oito categorias:
• Serviços de Base: Proporciona o acesso aos recursos
fundamentais à disposição um sistema Windows.
• Advanced Service: Proporcionar o acesso a
funcionalidade que é uma adição no kernel
Chamadas API de gerenciamento
de tarefa, processo, thread e
filamento
 Graphics Device Interface: Fornece a funcionalidade
para saída de conteúdos gráficos para os monitores ,
impressoras e outros dispositivos de saída.
 Interface do usuário: Fornece a funcionalidade para
criar e gerenciar tela janelas e controles mais básicos,
como botões e barras de rolagem , receber mouse e
teclado, e outras funcionalidades associadas com a
GUI parte do Windows.
 Serviços de Rede: Dá acesso a várias redes capacidades
do sistema operacional.
Chamadas API de gerenciamento
de tarefa, processo, thread e
filamento
 Caixa de diálogo Biblioteca comum: Fornece as
aplicações standard caixas de diálogo para abrir e
salvar arquivos, escolher a cor e o tipo de letra, etc.
 Biblioteca de Controle comum: Dá acesso a alguns
aplicativos de controles avançados fornecidos pelo
sistema operacional.
 Windows Shell: Componente da API do Windows
permite que aplicativos acessem a funcionalidade
fornecida pelo shell do sistema operacional , bem
como alterar e melhorar.
Chamadas API de gerenciamento
de tarefa, processo, thread e
filamento
Função da API do Win32
Descrição
CreateProcess
Cria um novo processo
CreateThreads
Cria um novo thread em um processo existente
CreateFiber
Cria um novo filamento
ExitProcess
Finaliza o processo aual e todos os seus threads
ExitThread
Finaliza este thread
ExitFiber
Finaliza este filamento
SwitchToFiber
Executa um filamento diferente no thread atual
SetPriorityClass
Configura a prioridade de um thread
Escalonamento
O windows não tem um thread de escalonamento central.
Quando um thread não pode mais executar, o thread entra no
modo núcleo e executa ele mesmo o escalonador para verificar
qual thread deve ser executada. O thread executa o código do
escalonador:
1. O thread atualmente em execução bloqueia em um semáforo,
mutex, evento, E/S etc.
2. Ele sinaliza um objeto.
3. O quantum do thread em execução expira.
O escalonador tambem pode ser chamado por:
1. Uma operação de E/S termina.
2. Uma espera temporizada expira.
Escalonamento

A API Win32 fornece dois ganchos para os processos
influenciarem o escalonamento.

A chamada SetPriorityClass – define as classes de
prioridade de todos os threads no processo de quem
chamou. A classe de prioridade determina as prioridades
relativas do processo. Os valores permitidos são: tempo real,
alta, acima do normal, normal, abaixo do normal e ociosa.

A chamada SetThreadPriority – define a prioridade
relativa de alguns threads, comparando aos outros threads
do seu processo.
Valores permitido: tempo crítico, mais alta, acima do
normal, normal, abaixo do tempo, mais baixa e ociosa.
Funcionamento do escalonamento

O sistema tem 32 prioridades, numeradas de 0 a 31. O
número na tabela determina a prioridade- base do thread.
Todo thread tem uma prioridade atual. O algoritmo
básico de escalonamento consiste em buscar no vetor
desde a prioridade 31 até a 0. Assim que uma prioridade
que não estiver vazia for encontrada, o thread no inicio da
fila será selecionado e executado por um quantum. Se o
quantum expira, o thread vai para o final da fila de seu
nível de prioridade e o thread da frente é escolhido como
próximo.
Funcionamento do escalonamento
Funcionamento do escalonamento

Para aumentar a escalabilidade dos algoritmos de
escalonamento em multiprocessadores com uma grande
quantidade de processadores, o escalonador tenta não
bloquear a trava que sincroniza o acesso ao vetor global
de listas de prioridade. Em vez disso, ele verifica se pode
despachar diretamente para o processador adequado um
thread que esteja pronto para execução.

Para cada thread, o escalonador mantém uma idéia
de processador ideal e, sempre que possível, tenta agendar
o thread para esse processador
Funcionamento do escalonamento
O escalonador sabe dos multiprocessadores nos quais
cada CPU tem sua própria memória e pode executar
programas armazenados em qualquer memoria, com um
custo quando a memória não é local. São sistemas
denominados NUMA (maquina de acesso não uniforme à
memória). O escalonador tenta otimizar a colocação dos
threads nessas máquinas. O gerenciador de memória
tenta alocar páginas físicas no nó NUMA pertencente ao
processador ideal para os threads quando sofrem falta de
página.
Funcionamento do escalonamento
Funcionamento do escalonamento

A figura mostra que na verdade há quatro categorias
de prioridade: tempo real, usuário, zero e ociosa, que na
verdade vale -1.

A prioridade dos threads aumenta quando:
Uma operação de E/S termina e libera um thread que
está esperando.
Um thread que esteja esperando em um semáforo, mutex
ou outro evento.
Esses não são definitivos. Tem efeito imediato e podem
acarretar o reescalonamento de toda a CPU.
Funcionamento do escalonamento
Há um outro caso que o sistema se ocupa com
as prioridades: Dois threads trabalhando juntos em
um problema do tipo produtor consumidor.
Gerenciamento de memória
No windows Vista, todo processo usuário tem
seu próprio espaço no endereçamento virtual.
Alocação de endereço virtual

Cada página de endereçamento virtual pode estar em
três estados: inválida, reservada ou comprometida.



Invalida: Não está atualmente mapeada para um objeto de
seção de memória, e uma referencia a ela causa uma falta de
pagina que acarreta uma violação de acesso.
Comprometida: uma vez que o código ou os dados estejam
mapeados em uma página virtual, esta página está
comprometida.
Reservada: Uma pagina virtual reservada é invalida, mas
seus endereços virtuais nunca serão alocados pelo
gerenciador de memória para nenhum outro propósito