11.4 PROCESOS E HILOS EN WINDOWS VISTA
CASO DE ESTUDIO 2: WINDOWS VISTA11.1 Historia de Windows
Vista11.2 Programacin en Windows VistaConsisten en gran parte de
bibliotecas de cdigo (DLLs) que los programas vinculan de manera
dinmica para acceder a las caractersticas del sistema operativo.
Windows tambin incluye varias interfaces de programacin que se
implementan como servicios, los cuales se ejecutan como procesos
separados. Las aplicaciones se comunican con los servicios en modo
de usuario a travs de llamadas a procedimientos remotos (RPC).
La Interfaz de programacin de aplicaciones de NT nativaLa mayora
de las llamadas al sistema nativas de NT operan sobre objetos en
modo de kernel de un tipo u otro, incluyendo archivos, procesos,
hilos, tuberas, semforos, etctera.
Lista de algunas de las categoras comunes de objetos en modo de
kernel soportados por NT en Windows Vista
Los objetos del sistema operativo proporcionan ocultamiento y
abstraccin de datos, pero carecen de algunas de las propiedades ms
bsicas de los sistemas orientados a objetos, como la herencia y el
polimorfismo.Cada llamada para crear o abrir un objeto devuelve un
resultado conocido como manejador al proceso que hizo la
llamada.Cada objeto tiene asociado un descriptor de seguridad, el
cual indica con detalle quin s y quin no puede realizar ciertos
tipos de operaciones en el objeto, con base en el acceso
solicitado.Los objetos del kernel en Windows utilizan una
herramienta uniforme basada en manejadores en el espacio de nombres
de NT para hacer referencia a objetos del kernel, junto con una
implementacin unificada en un administrador de objetos
centralizado.El administrador de objetos utiliza Unicode
(caracteres extensos) para representar nombres en el espacio de
nombres de NT. A diferencia de UNIX, NT por lo general no distingue
letras maysculas y minsculas (preserva el uso de maysculas y
minsculas pero es insensible a maysculas y minsculas).La interfaz
de programacin de aplicaciones Win32Las llamadas a las funciones
Win32 se conocen en forma colectiva como API Win32. Estas
interfaces se divulgan en forma pblica y estn documentadas en su
totalidad. Se implementan como procedimientos de biblioteca que
envuelven las llamadas al sistema nativas de NT empleadas para
realizar el trabajo o, en algunos casos, realizan el trabajo en
modo de usuario.
Para implementar los archivos con asignacin de memoria, Windows
utiliza tres herramientas completamente distintas.En primer lugar,
proporciona interfaces que permiten a los procesos administrar su
propio espacio de direcciones virtuales, incluyendo los rangos
reservados de direcciones para usarlas despus.En segundo lugar,
Win32 proporciona una abstraccin conocida como asignacin de
archivos, que se utiliza para representar objetos direccionables
como los archivos (a una asignacin de archivo se le conoce como
seccin en el nivel de NT). La mayora de las veces, las asignaciones
de archivos se crean para hacer referencia a los archivos mediante
el uso de un manejador de archivo, pero tambin se pueden crear para
hacer referencia a las pginas privadas que se asignan del archivo
de pginas del sistema.La tercera herramienta asigna las vistas de
las asignaciones de archivos en el espacio de direcciones de un
proceso. Win32 permite crear slo una vista para el proceso en
curso, pero la herramienta subyacente de NT es ms general y permite
crear vistas de cualquier proceso para el que se tenga un manejador
con los permisos apropiados.El registro de WindowsWindows adjunta
un tipo especial de sistema de archivos (optimizado para archivos
pequeos) al espacio de nombres de NT. A este sistema de archivos se
le conoce como el registro.Este registro est organizado en volmenes
separados, conocidos como grupo masivo de archivos (hives). Lista
de los grupos masivos de archivos que se utilizan en Windows
Vista.
Para explorar el registro, Windows tiene un programa de GUI
llamado regedit, el cual nos permite abrir y explorar los
directorios (conocidos como claves) y los elementos de datos
(conocidos como valores).
11.3 Estructura de Sistema11.3.1 Estructura del Sistema
OperativoEl nivel central es el mismo kernel NTOS, que se carga
desde ntoskrnl.exe cuando Windows inicia. NTOS tiene dos niveles:
el ejecutivo que contiene la mayora de los servicios, y un nivel ms
pequeo que (tambin) se conoce como kernel y es el que implementa
las abstracciones de programacin y sincronizacin de hilos
subyacentes (un kernel dentro del kernel?); tambin implementa los
manejadores de trampas, las interrupciones y otros aspectos sobre
la forma en que se administra la CPU.La divisin de NTOS en kernel y
ejecutivo es una reflexin de las races de VAX/VMS en NT.El sistema
operativo VMS, que tambin fue diseado por Cutler, tena cuatro
niveles implementadospor el hardware: usuario, supervisor,
ejecutivo y kernel, los cuales corresponden a los cuatro modos de
proteccin que proporciona la arquitectura del procesador VAX.
La capa de abstraccin de hardwareLos detalles del hardware sobre
la forma en que est organizada la memoria en los servidores
grandes, o las primitivas de sincronizacin de hardware disponibles,
tambin pueden tener un gran impacto en niveles ms altos del
sistema. Por ejemplo, el administrador de memoria virtual de NT y
el nivel del kernel estn conscientes de los detalles del hardware
relacionados con la cach y la localidad de la memoria. NT utiliza
las primitivas de sincronizacin compare&swap en todo el
sistema, por lo que sera difcil portarlo a un sistema que no las
tuviera. Por ltimo, hay muchas dependencias en el sistema en cuanto
al ordenamiento de los bytes dentro de las palabras. En todos los
sistemas a los que se ha portado NT, el hardware se estableci en el
modo little-endian.Las diferencias en las versiones de las CPUs
afectan la forma en que se implementan las primitivas de
sincronizacin, como la espera activa. Hay varias familias de chips
de soporte que crean diferencias en cuanto a la forma en que se
aplica la prioridad a las interrupciones de hardware, la forma en
que se accede a los registros de los dispositivos de E/S, la
administracin de las transferencias de DMA, el control de los
temporizadores y el reloj de tiempo real, la sincronizacin de los
mulSECCIN.El trabajo del HAL es presentar al resto del sistema
operativo el hardware abstracto que oculta los detalles especficos
sobre la versin del procesador, el conjunto de chips de soporte y
otras variaciones de la configuracin. Estas abstracciones del HAL
se presentan en forma de servicios independientes de la mquina
(llamadas a procedimientos y macros) que NTOS y losdrivers pueden
utilizar.La capa del kernel
Por encima del nivel de abstraccin de hardware est el NTOS, el
cual consiste de dos niveles: el kernel y el ejecutivo. Kernel es
un trmino confuso en Windows: se puede referir a todo el cdigo que
se ejecuta en el modo de kernel del procesador, pero tambin al
archivo ntoskrnl.exe que contiene a NTOS, el ncleo del sistema
operativo Windows. O se puede referir a la capa del kernel dentro
de NTOS
En el sistema operativo Windows, la capa del kernel proporciona
un conjunto de abstracciones para administrar la CPU.
La abstraccin ms central es la de los hilos, pero el kernel
tambin implementa el manejo de excepciones, las trampas y varios
tipos de interrupciones.
La creacin y destruccin de las estructuras de datos que dan
soporte a los hilos se implementan en el nivel ejecutivo. La capa
del kernel es responsable de la planificacin y sincronizacin de los
subprocesos. Al tener soporte para los hilos en un nivel separado,
el nivel ejecutivo se puede implementar mediante el uso del mismo
modelo multihilo preferente que se utiliza para escribir cdigo
concurrente en modo de usuario, aunque las primitivas de
sincronizacin son mucho ms especializadas.
El planificador de hilos del kernel es responsable de determinar
cul hilo se ejecuta en cada CPU del sistema. Cada hilo se ejecuta
hasta que una interrupcin del temporizador indique que es tiempo de
cambiar a otro hilo (expir su quantum), o hasta que el hilo tenga
que esperar a que ocurra algo.Los objetos de control incluyen
objetos primitivos para hilos, interrupciones, temporizadores,
sincronizacin, creacin de perfiles y dos objetos especiales para
implementar DPCs y APCs.
Los objetos DPC (Deferred Procedure Call, Llamada a
procedimiento diferido) se utilizan para reducir el tiempo
requerido para ejecutar ISRs (Interrupt Service Routines, Rutinas
de servicio de interrupcin) en respuesta a una interrupcin de un
dispositivo especfico.
El hardware del sistema asigna un nivel de prioridad de hardware
a las interrupciones. La CPU tambin asocia un nivel de prioridad
con el trabajo que realiza. La CPU responde slo a las
interrupciones con un nivel de prioridad mayor al que utiliza en un
momento dado. Los niveles de prioridad normales, incluyendo el
nivel de prioridad de todo el trabajo en modo de usuario, son
0.
Las interrupciones de dispositivos ocurren en la prioridad 3 o
mayor, y la ISR para una interrupcin de dispositivo se ejecuta por
lo general en el mismo nivel de prioridad que la interrupcin, para
poder evitar que ocurran otras interrupciones menos importantes
mientras se procesa una ms importante.Si una ISR se ejecuta
demasiado tiempo, se retrasar el servicio de las interrupciones de
menor prioridad y tal vez se pierdan datos o se obstaculice la
velocidad de transferencia de E/S del sistema.Llamadas a
procedimientos asncronas
El otro objeto de control especial del kernel es el objeto APC
(llamada a procedimiento asncrona).
Las APCs son como las DPCs en cuanto a que difieren el
procesamiento de una rutina del sistema, pero a diferencia de las
DPCs (que operan en el contexto de CPUs especficas) las APCs se
ejecutan en el contexto de un hilo determinado. Cuando se procesa
una tecla que se oprimi, no importaen qu contexto se ejecute la
DPC, ya que sta es slo otra parte del procesamiento de
interrupciones, y las interrupciones slo necesitan manejar el
dispositivo fsico y realizar operaciones independientes de los
hilos, como grabar los datos en un bfer en espacio de kernel.
La rutina de la DPC se ejecuta en el contexto de cualquier hilo
que haya estado en ejecucin cuando ocurri la interrupcin original.
Llama al sistema de E/S para reportar que se ha completado la
operacin de E/S, y el sistema de E/S pone en cola una APC para
ejecutarla en el contexto del hilo que realiza la peticin de E/S
original, donde puede acceder al espacio de direcciones en modo de
usuario del hilo que procesar la entrada.Objetos despachador
El objeto despachador es otro tipo de objeto de sincronizacin.
Es cualquiera de los objetos ordinarios en modo de kernel (el tipo
al que los usuarios pueden hacer referencia mediante manejadores)
que contienen una estructura de datos llamada dispatcher_header,
como se muestra en lafigura 11-15.Estos objetos incluyen semforos,
mutexes, eventos, temporizadores con espera, y otros objetosque los
hilos pueden esperar para sincronizar la ejecucin con otros
hilos.
El nivel ejecutivo
Debajo de la capa del kernel de NTOS est el ejecutivo. El nivel
ejecutivo est escrito en C, es en su mayor parte independiente de
la arquitectura (el administrador de memoria es una notable
excepcin) y se ha portado a nuevos procesadores con slo un esfuerzo
modesto (MIPS, x86, PowerPC, Alpha, IA64 y x64). El ejecutivo
contiene varios componentes distintos, los cuales se ejecutan
mediante las abstracciones de control que proporciona la capa del
kernel.Cada componente se divide en:Estructuras de datos e
interfaces internas y externas.Los aspectos internos de cada
componente estn ocultos y se utilizan slo dentro del mismo
componente, mientras que los aspectos externos estn disponibles
para todos los dems componentes dentro del ejecutivo. Se exporta un
subconjunto de las interfaces externas del ejecutable ntoskrnl.exe
y los drivers de dispositivos pueden crear vnculos a ellas, como si
el ejecutivo fuera una biblioteca. Microsoft llama gerentes a
muchos de los componentes del ejecutivo, ya que cada uno est a
cargo de administrar cierto aspecto de los servicios operativos,
como la E/S, la memoria, los procesos, los Objetos.El administrador
de objetos administra la mayora de los objetos interesantes en modo
de kernel que se utilizan en el nivel ejecutivo. stos incluyen los
procesos, hilos, archivos, semforos, dispositivos y drivers de E/S,
temporizadores y muchos otros.
El administrador de E/S proporciona el marco de trabajo para
implementar los drivers de los dispositivos de E/S y un nmero de
servicios del ejecutivo especficos para configurar, utilizar y
realizar operaciones en los dispositivos.El administrador de
procesos se encarga de la creacin y terminacin de los procesos e
hilos, incluyendo el establecimiento de las directivas y parmetros
que los gobiernan. Pero los aspectos operacionales de los hilos se
determinan con base en el nivel del kernel, que controla la
programacin y sincronizacin de los hilos, as como su interaccin con
los objetos de control como las APCs.El administrador de memoria
del ejecutivo implementa la arquitectura de memoria virtual con
paginacin bajo demanda. Administra la asignacin de las pginas
virtuales a los marcos de pginas fsicas, la administracin de los
marcos fsicos disponibles y la administracin del archivo de
paginacin en el disco que se utiliza para respaldar las instancias
privadas de las pginas virtuales que ya no se cargan en memoriaEl
administrador de la cach optimiza el rendimiento de la E/S para el
sistema de archivos, para lo cual mantiene una cach de pginas del
sistema de archivos en el espacio de direcciones virtuales del
kernel. El administrador de la cach utiliza cach con direcciones
virtuales; es decir, organiza las pginaEl monitor de referencia de
seguridad implementa los elaborados mecanismos de seguridad de
Windows, los cuales aplican los estndares internacionales para
seguridad computacional, conocidos como Criterios comunes, una
evolucin de los requerimientos de seguridad del Libro naranja del
Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Estos estndares
especifican una gran cantidad de reglas que debe cumplir un sistema
para estar en conformidad, como el inicio de sesin autenticado, las
auditoras, la puesta a cero de la memoria asignada y muchas ms de
las cach con base en su ubicacin en sus archivos.El administrador
de configuracin es el componente el ejecutivo que implementa el
registro, como vimos antes. El registro contiene datos de
configuracin para el sistema, en archivos del sistema conocidos
como grupo masivo de archivos (hives). El grupo masivo de archivos
ms crtico es SYSTEM, el cual se carga en memoria al momento de
iniciar el sistema. Slo hasta despus de que el nivel ejecutivo
inicializa con xito sus componentes clave (incluyendo los drivers
de E/S que se comunican con el disco del sistema) es cuando se
vuelve a asociar la copia en memoria del grupo masivo de archivos
con la copia en el sistema de archivos.Los drivers de
dispositivosEstos drivers son bibliotecas de vnculos dinmicos que
se cargan mediante el ejecutivo de NTOS. Aunque su principal uso es
para implementar los drivers para el hardware especfico, como los
dispositivos fsicos y los buses de E/S, ruta se le conoce como pila
de dispositivos, y consiste en instancias privadas de objetos de
dispositivo del kernel que se asignan para la ruta. Cada objeto de
dispositivo en la pila de dispositivos se vincula con un objeto
driver especfico, el cual contiene la tabla de rutinas a utilizar
para los paquetes de peticiones de E/S que fluyen a travs de la
pila de dispositivos.
Los drivers de filtros especiales, conocidos como drivers de
filtros del sistema de archivos, pueden insertar objetos de
dispositivo antes del objeto de dispositivo del sistema de
archivos, para aplicar la funcionalidad a las peticiones de E/S que
se envan a cada volumen, como la inspeccin de los datos que se leen
o escriben para asegurar que no tengan virus.
11.3.2 Booteo de Windows VistaPara hacer que se ejecute un
sistema operativo se requieren varios pasos. Cuando se enciende una
computadora, el hardware inicializa la CPU y despus empieza a
ejecutar un programa en memoria.Pero el nico cdigo disponible est
en cierta forma de CMOS voltil que el fabricante de la computadora
inicializa (y algunas veces el usuario la actualiza, en un proceso
conocido como flashing). En la mayora de las PCs, este programa
inicial es el BIOS (Basic Input/Output System, Sistema bsico de
entrada/salida), el cual sabe cmo comunicarse con los tipos estndar
de dispositivos que se encuentran en una PC. Para iniciar Windows
Vista, el BIOS primero carga pequeos programas tipo bootstrap que
se encuentran al inicio de las particiones de la unidad de
disco.Los programas bootstrap saben cmo leer suficiente informacin
de un volumen del sistema de archivos para encontrar el programa
BootMgr independiente de Windows en el directorio raz.BootMgr
determina si el sistema haba hibernado antes o si estaba en modo
suspendido (modos especiales de ahorro de energa, los cuales
permiten volver a encender el sistema sin tener que iniciarlo).De
ser as, BootMgr carga y ejecuta WinResume.exe. En caso contrario,
carga y ejecuta WinLoad.exe para realizar un inicio desde cero.
WinLoad carga los componentes de inicio del sistema en la memoria:
el kernel/ejecutivo (por lo general es ntoskrnl.exe), el HAL
(hal.dll), el archivo que contiene el grupo masivo de archivos
SYSTEM, el driver Win32k.sys que contiene las partes del subsistema
de Win32 en modo de kernel, y tambin las imgenes de los otros
drivers listados en el grupo masivo de archivos SYSTEM como drivers
de booteo, lo cual significa que se necesitan cuando el sistema
arranca.Implementacin del administrador de objetosEl administrador
de objetos tambin maneja objetos aun ms especializadosque
representan cosas como transacciones del kernel, perfiles, tokens
de seguridad y escritorios de Win32. Los objetos de dispositivos
vinculan las descripciones del sistema de E/S entre s, y tambin
proporcionan el vnculo entre el espacio de nombres de NT y los
volmenes del sistema de archivos. El administrador de configuracin
utiliza un objeto de tipo Key para crear los vnculos en los grupos
masivos de archivos del registro. El mismo administrador de objetos
tiene objetos que utiliza para administrar el espacio de nombres de
NT e implementar objetos que utilicen una herramienta comn. stos
son objetos de directorio, vnculo simblico y de tipo objeto.
11.3.3 Implementacin del administrador de objetosProbablemente
el administrador de objetos es el componente individual ms
importante en el ejecutivo de Windows.
Proporciona una interfaz uniforme y consistente para administrar
los recursos del sistema y las estructuras de datos, como archivos
abiertos, procesos, hilos, secciones de memoria, temporizadores,
dispositivos, drivers y semforos. El administrador de objetos
tambin maneja objetos aun ms especializados que representan cosas
como: Transacciones del kernel Perfiles Tokens de
seguridadEscritorios de Win32El administrador de configuracin
utiliza un objeto de tipo Key para crear los vnculos en los grupos
masivos de archivos del registro.
El mismo administrador de objetos tiene objetos que utiliza para
administrar el espacio de nombres de NT e implementar objetos que
utilicen una herramienta comn. Administrador de objetos Tipo de
objetoObjetos objetos de directorio vnculo simblicoUna clave para
comprender los objetos es tener en cuenta que un objeto (ejecutivo)
es slo una estructura de datos en la memoria virtual, accesible
para el modo de kernel. Estas estructuras de datos se utilizan
comnmente para representar conceptos ms abstractos. Una
consecuencia del hecho de que los objetos sean slo estructuras de
datos del kernel es que cuando el sistema se reinicia (o falla), se
pierden todos ellos.
Los campos en este encabezado incluyen el nombre del objeto, el
directorio en el que existe en el espacio de nombres de NT, y un
apuntador a un descriptor de seguridad que representa la ACL para
el objeto.Cada objeto contiene un encabezado con cierta informacin
comn para todos los objetos de todos los tipos. La memoria que se
asigna a los objetos proviene de uno de dos montculos (o reservas)
de memoria mantenidos por el nivel ejecutivo. Son funciones
utilitarias (como malloc) en el ejecutivo, que permiten a los
componentes en modo de kernel asignar memoria paginable del kernel
o memoria no paginable de kernel.Tanto la memoria fsica como las
direcciones virtuales del kernel son recursos valiosos. Cuando ya
no se necesita un objeto, hay que eliminarlo y reclamar su memoria
y direcciones. Pero si se reclama un objeto cuando todava est en
uso, entonces la memoria se podra asignar a otro objeto y es muy
probable que las estructuras de datos se corrompan. El
administrador de objetos implementa un mecanismo de conteo de
referencias, y el concepto de un apuntador referenciado. Este tipo
de apuntador se requiere para acceder a un objeto, siempre que ste
se encuentra en peligro de ser eliminado. Dependiendo de las
convenciones relacionadas con cada tipo de objeto especfico, slo
hay ciertos momentos en los que otro hilo podra llegar a eliminar
un objeto. Manejadores Windows utiliza manejadores para hacer
referencia a los objetos en modo de kernel. Los manejadores son
valores opacos que el administrador de objetos convierte en
referencias a la estructura de datos especfica en modo de kernel
que representa a un objeto.
La tabla de manejadores se puede expandir si se agregan niveles
adicionales de indireccin. Cada proceso tiene su propia tabla,
incluyendo el proceso del sistema, el cual contiene todos los hilos
del kernel que no estn asociados con un proceso en modo de
usuario.El espacio de nombres de objetos
El espacio de nombres de NT es jerrquico, y el administrador de
objetos implementa los directorios y vnculos simblicos. El espacio
de nombres tambin es extensible, ya que permite que cualquier tipo
de objeto especifique extensiones del espacio de nombre, para lo
cual tiene que proporcionar una rutina llamada Parse. La rutina
Parse es uno de los procedimientos que se pueden proveer para cada
tipo de objeto al momento de crearlo
El directorio nombre \?? contiene todos los nombres de
dispositivos estilo MS-DOS, como A: para el disco flexible y C:
para el primer disco duro.
Estos nombres son en realidad vnculos simblicos al directorio
\Device, en donde viven los objetos.
Se eligi el nombre \?? para que siempre estuviera primero en
orden alfabtico, y as poder agilizar la bsqueda de todos los
nombres de rutas que empiecen con una letra de unidad.CASO DE
ESTUDIO 2
El administrador de objetos mantiene un conteo separado de
manejadores en cada objeto, el cual nunca es mayor que el de
apuntadores referenciados, ya que cada manejador vlido tiene un
apuntador referenciado al objeto en su entrada en la tabla de
manejadores.
La razn para el conteo separado de manejadores es que muchos
tipos objetos tal vez necesiten limpiar su estado cuando
desaparezca la ltima referencia en modo de usuario, aun cuando no
estn listos todava para eliminar su memoria. En Windows, los
archivos se pueden abrir en modo de acceso exclusivo. Cuando se
cierra el ltimo manejador para un objeto de archivo, es importante
eliminar el acceso exclusivo en ese punto, en vez de esperar que
desaparezca cualquier referencia incidental al kernel en algn
momento dado.
Ejemplo:
Despus del ltimo vaciado de los datos de la memoria.Aunque el
administrador de objetos tiene mecanismos extensos para administrar
los tiempos de vida de los objetos dentro del kernel.
Por ende, muchas aplicaciones multihilo tienen condiciones de
competencia y errores en donde cerrarn un manejador en un hilo
antes de terminar con l en otro hilo.despus del ltimo vaciado de
los datos de la memoriaPara ayudar a los escritores de aplicaciones
a encontrar problemas como stos en sus programas, Windows tiene un
verificador de aplicaciones que los desarrolladores de software
pueden descargar de Microsoft.
El verificador de aplicaciones realiza una comprobacin extensa
de las reglas para ayudar a los programadores a encontrar errores
que tal vez las pruebas ordinarias no podran encontrar.El objeto de
dispositivo es uno de los ms importantes y verstiles en modo de
kernel en el ejecutivo. El tipo se especifica mediante el
administrador de E/S.
Los objetos de dispositivo representan dispositivos de hardware,
interfaces y buses, as como particiones de disco lgicas, volmenes
de disco, e incluso sistemas de archivos y extensiones del kernel,
como los filtros antivirus.
Los componentes del ejecutivo pueden crear nuevos tipos en forma
dinmica, mediante una llamada a la interfaz ObCreateObjectType para
el administrador de objetos. No hay una lista definitiva de tipos
de objetos y cambian de una versin a otra.
Los objetos puerto, temporizador y cola tambin se relacionan con
la comunicacin y la sincronizacin.
Los puertos son canales entre procesos para intercambiar
mensajes LPC.
Los temporizadores proporcionan una manera de bloquear por un
intervalo especfico.
Las colas se utilizan para notificar a los hilos que haba
empezado antes una operacin de E/S asncrona, o que un puerto tiene
un mensaje en11.4 PROCESOS E HILOS EN WINDOWS VISTA
11.4 PROCESOS E HILOS EN WINDOWS VISTA 86111.4.1 Conceptos
fundamentales 86111.4.2 Llamadas a la API para administrar
trabajos, procesos, hilos y fibras 86611.4.3 Implementacin de
procesos e hilos 871Windows Vista utiliza de manera considerable
los procesos de servicio en modo de usuario para extender la
funcionalidad del sistema. Algunos de estos servicios tienen lazos
estrechos con la operacin de los componentes en modo de kernel como
lsass.exe , el servicio de autenticacin de seguridad local que
administra los objetos de token que representan la identidad del
usuario, y tambin administra las claves de cifrado utilizadas por
el sistema de archivos.11.4.1 Conceptos fundamentalesEn Windows
Vista, los procesos son contenedores para los programas. Contienen
el espacio de direcciones virtuales, los manejadores que hacen
referencia a los objetos en modo de kernel y los hilos. En su papel
como contenedor para los hilos, contienen los recursos comunes que
se utilizan para la ejecucin de hilos, como el apuntador a la
estructura de cuotas, el objeto de token compartido y los parmetros
predeterminados que se utilizan para inicializar hilos; incluyendo
la prioridad y la clase de planificacin.PEB (Process Environment
Block, Bloque de entorno del proceso)Cada proceso tiene datos del
sistema en modo de usuario.Incluye la lista de mdulos cargados (es
decir, los EXEs y DLLs), la memoria que contiene cadenas del
entorno, el directorio actual de trabajo y datos para administrar
los montculos del proceso; as como tambin un montculo de cdigo de
Win32 de casos especiales que se ha acumulado con el
tiempo.HilosLos hilos son la abstraccin del kernel para programar
la CPU en Windows. Se asignan prioridades a cada hilo con base en
el valor de prioridad en el proceso contenedor.Tambin pueden tener
afinidad para ejecutarse slo en ciertos procesadores. Esto ayuda a
los programas concurrentes que se ejecutan en multiprocesadores a
esparcir el trabajo de manera explcita.Cada hilo tiene dos pilas de
llamadas separadas:Ejecucin en modo de usuario.Ejecucin en modo
modo de kernel. Tambin hay un TEB(Thread Environment Block, Bloque
de entorno de hilo) que mantiene los datos en modo de usuario
especficos para el hilo, incluyendo el almacenamiento por hilo
(Thread Local Storage, Almacenamiento local de hilo) y campos para
Win32, de lenguaje y localizacin cultural, adems de otros campos
especializados que se han agregado mediante varias
herramientas.Adems de los PEBs y los TEBs, hay otra estructura de
datos que el modo de kernel comparte con cada proceso: los datos
compartidos de usuario .sta es una pgina que el kernel puede
escribir, pero es de slo lectura en todos los procesos en modo de
usuario. Contiene varios valores mantenidos por el kernelVarias
formas de hora, Informacin de la versin, Cantidad de memoria fsica
Y un gran nmero de banderas compartidas que utilizan varios
componentes en modo de usuario, como COM, los servicios de terminal
y los depuradores.El uso de esta pgina compartida de slo lectura es
slo una optimizacin del rendimiento, ya que los valores tambin se
pueden obtener mediante una llamada al sistema en modo de
kernel.ProcesosSe crean a partir de objetos de seccin, cada uno de
los cuales describe un objeto de memoria respaldado por un archivo
en el disco.Cuando se crea un proceso, el proceso creador recibe un
manejador para el proceso creado, el cual le permite modificar:El
nuevo proceso mediante la asignacin de secciones y de memoria
virtual.La escritura de parmetros y datos sobre el entorno La
duplicacin de descriptores de archivos en su tabla de manejadores y
la creacin de hilos.Esto es muy distinto a la forma en que se crean
los procesos en UNIX, y refleja la diferencia en los sistemas de
destino para los diseos originales de UNIX en comparacin con
WindowsTrabajos y fibrasWindows puede agrupar los procesos en
trabajos, pero la abstraccin de trabajo no es muy general.Se dise
de manera especfica para agrupar procesos y poder aplicar
restricciones a los hilos que contienen, como la limitacin del uso
de los recurso por medio de una cuota compartida o la implementacin
de un token restringido para evitar que los hilos accedan a muchos
objetos del sistema.La propiedad ms importante de los trabajos para
la administracin de recursos es que, una vez que un proceso est en
un trabajo, todos los procesos que los hilos creen en esos procesos
tambin estarn en la tarea.
Relacin entre trabajos, procesos, hilos y fibrasLos trabajos
contienen procesos. Los procesos contienen hilos. Pero los hilos no
contienen fibras. La relacin entre los hilos y las fibras es por lo
general de varios a varios.
Para crear fibrasSe asigna una pila y una estructura de datos
tipo fibra en modo de usuario para almacenar los registros y datos
asociados con la fibra. Los hilos se convierten en fibras, pero las
fibras tambin se pueden crear en forma independiente a los
hilos.Dichas fibras no se ejecutarn sino hasta que una fibra que ya
se est ejecutando en un hilo llame de manera explcita a
Switch-ToFiber para ejecutar la fibra. Los hilos podran tratar de
cambiar a la fibra que ya se est ejecutan-do, por lo que el
programador debe proporcionar la sincronizacin para evitarlo.
La principal ventaja de las fibras es que la sobrecarga de
cambiar entre una fibra y otra es bastante menor que la sobrecarga
de cambiar entre un hilo y otro. Para un cambio de hilo se requiere
entrar y salir del kernel. En un cambio de fibra se guardan y
restauran unos cuantos registros sin cambiar los modos.Hilos
Los hilos forman la base de la programacin de la CPU, ya que el
sistema operativo siempre selecciona un hilo para ejecutarlo, no un
proceso. Cada hilo tiene un estado (listo, en ejecucin, bloqueado,
etc.), mientras que los procesos no tienen estados de planificacin.
Se pueden crear en forma dinmica mediante una llamada a Win32 que
especifique la direccin dentro del espacio de direcciones del
proceso circundante en la que va a empezar su ejecucin.Tiene un ID
de hilo, el cual se toma del mismo espacio de nombres que los IDs
del proceso, por lo que un proceso y un hilo nunca pueden utilizar
un solo ID al mismo tiempo.Por lo general, un hilo se ejecuta en
modo de usuario, pero cuando hace una llamada al sistema, cambia al
modo de kernel y contina su ejecucin como el mismo hilo con las
mismas propiedades y lmites que tena en modo de usuario.
Cada hilo tiene dos pilasModo de usuarioModo de kernel. Cada vez
que un hilo entra al kernel, cambia a la pila en modo de kernel.
Los valores de los registros en modo de usuario se guardan en una
estructura de datos llamada CONTEXT en la base de la pila en modo
de kernel. Como la nica forma de que un hilo en modo de usuario no
se ejecute es que entre al kernel, el contexto (CONTEXT) para un
hilo siempre contiene el estado de sus registros cuando no se
ejecuta. El contexto (CONTEXT) para cada hilo se puede examinar y
modificar desde cualquier proceso que tenga un manejador para ese
hilo.Por lo general, los hilos se ejecutan mediante el token de
acceso del proceso que los contiene.Tambin son el punto focal
normal para la E/S. Los hilos se bloquean al realizar ope-raciones
de E/S sncronas, y los paquetes de peticin de E/S restantes para
las operaciones de E/S asncronas se vinculan con el hilo.11.4.2
Llamadas a la API para administrar trabajos, procesos, hilos y
fibrasLos nuevos procesos se crean mediante la funcin CreateProcess
de la API Win32. Esta funcin tiene muchos parmetros y opciones.
Recibe el nombre del archivo que se va a ejecutar, las cadenas de
la lnea de comandos (sin analizar) y un apuntador a las cadenas del
entorno.
En la versin Windows Vista se incluy una nueva API nativa para
los procesos, la cual mueve muchos de los pasos en modo de usuario
al ejecutivo en modo de kernel, y combina la creacin del proceso
con la creacin del hilo inicial.
La razn del cambio fue aceptar el uso de los procesos como
lmites de seguridad. Este cambio en Windows Vista permite a los
procesos proporcionar tambin lmites de confianza, pero esto
significa que el proceso creador no tiene los permisos suficientes
en relacin con un manejador de procesos como para implementar los
detalles de la creacin de procesos en modo de usuario.
Comunicacin entre procesosLos hilos se pueden comunicar de
muchas formas: TuberasByteMensajeTuberas con
nombreByteMensajeRanuras de correoSocketsConectan procesos en
distintas mquinas.Llamadas a procedimientos remotosSon una forma de
que el proceso A haga que el proceso B llame a un procedimiento en
el espacio de direcciones de B a beneficio de A, y devuelva el
resultado a A.Archivos compartidosSe puede implementar con
facilidad el bfer compartido que se utiliza en los problemas de
productor-consumidor.SincronizacinLos procesos tambin pueden
utilizar varios tipos de objetos de sincronizacin. As como Windows
Vista proporciona muchos mecanismos de comunicacin entre procesos,
tambin proporciona muchos mecanismos de sincronizacin, incluyendo
los semforos, los mutexes, las regiones crticas y los
eventos.SemforosPara crear un semforo se utiliza la funcin
CreateSempahore de la API Win32. Los semforos son objetos en modo
de kernel y, por ende, tienen descriptores de seguridad y
manejadores. El manejador para un semforo se puede duplicar
mediante DuplicateHandle y se puede pasar a otro proceso, de manera
que se puedan sincronizar varios procesos con el mismo semforo.
MutexesLos mutexes tambin son objetos en modo de kernel que se
utilizan para la sincronizacin, pero son ms simples que los
semforos ya que no tienen contadores. En esencia son bloqueos con
funciones de la API para bloquear WaitForSingleObject y desbloquear
ReleaseMutex . Al igual que los manejadores de semforos, los
manejadores de los mutexes se pueden duplicar y pasar entre los
procesos, de manera que los hilos en distintos procesos puedan
acceder al mismo mutex.Secciones CrticasSon locales para el espacio
de direcciones del hilo creador. Como las secciones crticas no son
objetos en modo de kernel, no tienen manejadores explcitos ni
descriptores de seguridad, y no se pueden pasar entre procesos. Las
operaciones de bloqueo y desbloqueo se realizan con
EnterCriticalSection y LeaveCriticalSection, respectivamente. Las
secciones crticas se optimizan para combinar espera activa (en
multiprocesadores), y la sincronizacin del kernel se utiliza slo
cuando es necesario. En muchas aplicaciones es muy raro que haya
contiendas en la mayora de las secciones crticas, o tienen tiempos
de contencin tan cortos que nunca es necesario asignarles un objeto
de sincronizacin del kernel. Esto produce ahorros considerables en
la memoria del kernel.EventosUn evento puede estar en uno de dos
estados: SealadoNo sealado. Un hilo puede esperar que se seale un
evento mediante WaitForSingleObject . Si otro hilo seala un evento
con SetEvent , lo que ocurra depender del tipo de evento. Con un
evento de notificacin, todos los hilos en espera se liberan y el
evento permanece activo hasta que se borra en forma manual mediante
ResetEvent . Con un evento de sincronizacin, si hay uno o ms hilos
en espera, slo se libera un hilo y se borra el evento. Una operacin
alternativa es PulseEvent , que es como SetEvent slo que si no hay
nadie esperando, se pierde el pulso y se borra el evento.
11.4.3 Implementacin de procesos e hilosUn proceso se crea
cuando otro proceso realiza la llamada a CreateProcess de Win32.
Esta llamada invoca a un procedimiento (en modo de usuario) en
kernel32.dll que crea el proceso en varios pasos, mediante el uso
de varias llamadas al sistema y la realizacin de otro trabajo.
PlanificacinEl kernel de Windows no tiene ningn hilo de
planificacin central. En vez de ello, cuando un hilo ya no puede
seguir ejecutndose, entra al modo de kernel y llama al planificador
para ver con cul hilo se puede cambiar. Las siguientes condiciones
ocasionan que el hilo actual en ejecucin ejecute el cdigo del
planificador:1. El hilo actual en ejecucin se bloquea en un
semforo, mutex, evento, operacin de E/S, etc.2. El hilo seala a un
objeto (por ejemplo, realiza una operacin upen un semforo o hace
que se seale un evento).3. El quantum expira.
El planificador tambin se llama bajo otras dos condiciones:1. Se
completa una operacin de E/S. 2. Expira un tiempo de espera.
La API Win32 proporciona dos APIs para influir en la
planificacin de hilos. En primer lugar, hay una llamada
SetPriorityClass que establece la clase de prioridad de todos los
hilos en el proceso del que hizo la llamada. Los valores permitidos
son: Tiempo real Alto Arriba de lo normalNormal Debajo de lo normal
Inactivo. La clase de prioridad determina las prioridades relativas
de los procesos (a partir de Windows Vista, la clase de prioridad
de procesos tambin puede utilizar un proceso para marcarse a s
mismo de manera temporal como en segundo plano, lo cual significa
que no debe interferir con ninguna otra actividad en el sistema).
Observe que la clase de prioridad se establece para el proceso,
pero afecta a la prioridad actual de todos los hilos en el proceso,
al establecer una prioridad de base con la que empieza cada hilo al
momento de su creacin.Algoritmo De Planificacin.Segunda API Win32
es SetThreadPriority .
Establece la prioridad relativa de un hilo (que puede ser pero
no necesariamente, el hilo que hizo la llamada) con respecto a la
clase de prioridad de su proceso. Los valores permitidos son:
Tiempo crtico Mayor Arriba de lo normal Normal Debajo de lo normal
Menor Inactivo.
Los hilos de tiempo crtico obtienen la prioridad de programacin
ms alta que no sea de tiempo real, mientras que los hilos inactivos
obtienen la menor, sin importar la clase de prioridad. El uso de
clases de prioridad y prioridades relativas de los hilos facilita a
las aplicaciones la decisin sobre qu prioridades deben
especificar.Para mejorar la escalabilidad de los algoritmos de
planificacin hacia multiprocesadores con un mayor nmero de
procesadores, el planificador trata de no tomar el bloqueo que
sincroniza el acceso al arreglo global de listas de prioridad. En
vez de ello, verifica si puede despachar de manera directa un hilo
que est listo para ejecutarse al procesador correspondiente.
Los usuarios ordinarios no pueden ejecutar hilos en tiempo real.
Si un hilo de usuario se ejecutara a una prioridad mayor que (por
decir) el hilo del teclado o del ratn y entrara en un ciclo, el
hilo del teclado o del ratn nunca se ejecutara y el sistema quedara
paralizado. Para tener permiso de establecer la clase de prioridad
a tiempo real, hay que habilitar un privilegio especial en el token
del proceso. Los usuarios normales no tienen este privilegio.
11.5 Administracin de la MemoriaWindows Vista tiene un sistema
de memoria virtual muy sofisticado. Tiene varias funciones de Win32
para utilizarlo, las cuales se implementan mediante el
administrador de memoria: el componente ms grande del nivel
ejecutivo de NTOSConceptos fundamentalesEn Windows Vista, todos los
procesos de usuario tienen su propio espacio de direcciones
virtuales. En las mquinas x86 las direcciones virtuales son de 32
bits, por lo que cada proceso tiene 4 GB de espacio de direcciones
virtuales.Se puede asignar como 2 GB de direcciones para el modo de
usuario de cada proceso, o los sistemas servidores de Windows
pueden configurar el sistema de manera opcional para ofrecer 3 GB
en el modo de usuario.
El cdigo y los datos privados del usuario empiezan desde los 64
KB, y se extienden hasta casi 2 GB. Los 2 GB superiores contienen
el sistema operativo, incluyendo el cdigo, los datos y las reservas
con y sin paginacin
Asignacin de direcciones virtualesCada pgina de direcciones
virtuales puede estar en uno de tres estados: invlida, reservada o
confirmada. Una pgina invlida no est asignada a un objeto de seccin
de memoria en un momento dado, y una referencia a ella produce un
fallo de pgina que a su vez origina una violacin de acceso. Una vez
que se asignan cdigo o datos a una pgina virtual, se dice que la
pgina est confirmada. Archivos de paginacin
Hay una interesante concesin que ocurre al confirmar espacio de
almacenamiento a la pginas confirmadas que no se van a asignar a
archivos especficos. Estas pginas utilizan el archivo de
paginacin.Windows utiliza una estrategia denominada justo a tiempo.
Las pginas confirmadas que respalda el archivo de paginacin no
reciben espacio en este archivo sino hasta cuando tienen que
paginarse fuera de la memoria. No se asigna ningn espacio en el
disco para las pginas que nunca se paginan fuera de la memoria. Si
la memoria virtual total es menos que la memoria fsica disponible,
no se necesita un archivo de paginacin para nada. Esto es
conveniente para los sistemas incrustados que se basan en Windows.
11.6 Uso de la Cach en Windows VistaLa cach de Windows mejora el
rendimiento de los sistemas de archivosAl mantener en la memoria
las regiones de archivos de uso reciente y frecuente. En vez de
poner en cach bloques diseccionados en forma fsica del disco, el
administrador de la cach administra los bloques diseccionados en
forma virtual.Las regiones de los archivos en cach se conocen como
vistas, ya que representan regiones de direcciones virtuales del
kernel que se asignan a los archivos del sistema de archivosEl
administrador de memoria se encarga de la administracin actual de
la memoria fsica en la cach.El papel del administrador de la cach
es administrar el uso de las direcciones virtuales del kernel para
las vistas, ponerse de acuerdo con el administrador de memoria para
marcar las pginas en la memoria fsica y proporcionar interfaces
para los sistemas de archivos.
Las herramientas del administrador de la cach de Windows se
comparten entre todos los sistemas de archivos.La cach se
direcciona en forma virtual de acuerdo con los archivos
individuales, el administrador de la cach puede realizar con
facilidad la lectura adelantadaLos sistemas de archivos no tienen
que traducir primero los desplazamientos de los archivos en nmeros
de bloques fsicos antes de solicitar una pgina del archivo en la
cach.
La administracin de los recursos de direcciones virtuales del
kernel y de la memoria fsica que se utilizan para la cach.El
administrador de la cach tambin tiene que coordinarse con los
sistemas de archivos en relacin con cuestiones como la coherencia
de las vistas, el vaciado al disco y el mantenimiento correcto de
las marcas de fin de archivo.Uno de los aspectos ms difciles de un
archivo que se debe administrar entre el sistema de archivos, el
administrador de la cach y el administrador de memoria es el
desplazamiento del ltimo byte en el archivo, conocido como
ValidDataLength.Ahora vamos a examinar la forma en que funciona el
administrador de la cach. Cuando se hace referencia a un archivo,
el administrador de la cach le asigna un trozo de 256 KB del
espacio de direcciones virtuales del kernel. Si el archivo es mayor
de 256 KB, slo se asigna una porcindel archivo a la vez. Si el
administrador de la cach se queda sin trozos de 256 KB de espacio
de direcciones virtuales, debe desasignar un archivo anterior antes
de asignar uno nuevo.Windows Vista introdujo una nueva forma de uso
de cach en el sistema, conocida como ReadyBoost, la cual es
distinta del administrador de la cach.Los usuarios pueden insertar
memorias flash en los puertos USB o en otros puertos, y hacen los
arreglos para que el sistema operativo utilice la memoria flash
como cach de escritura inmediata.Las lecturas de la memoria flash
son relativamente rpidas, aunque no tanto como la RAM dinmica que
se utiliza para la memoria normalEl administrador de la cach tambin
funciona para las pginas que se asignan en la memoria virtual y se
utilizan con apuntadores, en vez de copiarlas entre los bferes del
kernel y de usuario.Cuando un hilo accede a una direccin virtual
asignada a un archivo y se produce un fallo de pgina, en muchos
casos el administrador puede satisfacer el acceso como un fallo
suave.
El uso de cach no es apropiado para todas las aplicaciones. Las
grandes aplicaciones empresariales como SQL prefieren administrar
su propia cach y sus propias operaciones de E/S. Windows permite
abrir archivos para E/S sin bfer, con lo cual se ignora al
administrador de la cach.
11.7 Entrada/Salida en Windows Vista11.8 El Sistema de Archivos
en Windows Vista11.9 La Seguridad en Windows VistaWindows vista no
se diseo de manera especifica para cumplir con los requerimientos
C2, hereda muchas propiedades de seguridad del diseo original de
NT.
1. Inicio de sesin seguro con medidas anti-suplantacin de
identidad.2. Controles de acceso discrecionales.3. Controles de
acceso privilegiados.4. Proteccin del espacio de direcciones por
proceso.5. Las nuevas pginas deben ponerse en ceros antes de
asignarlas.6. Auditora de seguridad
Windows Vista se identifica mediante un SID ( ID de seguridad )
Los SIDs son nmeros binarios con un encabezado corto seguido de un
componente aleatorio largo. Cada SID est diseado para ser nico en
todo el mundo
Ejemplo: Cuando un usuario inicia un proceso,el proceso y sus
hilos se ejecutan bajo el SID del usuario
Conceptos fundamentales Se encarga de especifica un SID y otras
propiedades indica quin es el propietario del proceso y qu valores
predeterminados y poderes estn asociados con l.
Token de acceso
Cada objeto tiene asociado un descriptor de seguridad, el cual
indica quin puede realizar operaciones sobre el.El sistema de
archivos NTFS y el registro mantienen una forma persistente de
descriptor de seguridad, el cual se utiliza para crear el
descriptor de seguridad para los objetos Archivo y Clave lEl
descriptor de seguridad consiste en un encabezado seguido deACEs
(Entradas de control de acceso). Los dos tipos principales de
elementos son Permitir y Denegar..SACL (lista de Control de Acceso
del Sistema) no especificaquin puede usar el objeto, Descriptor de
seguridadLlamadas a la API de seguridad
Muchas de las llamadas de seguridad de la API Win32 se
relacionan con la administracin de los descriptores de seguridad.El
inicio de sesin se maneja mediante winlogon y la autenticacin
mediante lsass.El resultado de un inicio de sesin exitoso es un
nuevo shell de GUI explorer.exe con su token de acceso asociado.
Este proceso utiliza los grupos masivos de archivos SECURITY y SAM
en el registro. Una vez que un usuario inicia sesin, se realizan
operaciones de seguridad cuando abre un objeto para utilizarlo.
Cada llamada Openxxx requiere que se abra el nombre del objeto y el
conjunto de permisos.Implementacin de la seguridadUna vez abierto
un objeto, se devuelve un manejador para el mismo al proceso que
hizo la llamada. En las siguientes llamadas slo se comprueba si la
operacin intentada est en el conjunto de operaciones solicitadas al
momento de abrir el objeto,Windows Vista agreg otra herramienta de
seguridadSIDs de nivel de integridad obligatorios en el tokendel
procesoUAC (User Account Control, Control de cuentas de usuarioLa
ltima caracterstica de seguridad en Windows Vista es una que ya
hemos mencionado. Hay soporte para crear procesos protegidos, los
cuales proveen un lmite de seguridad. Por lo general, el usuario
(segn su representacin mediante un objeto de token) define el lmite
de privilegios en el sistema.
