Как работает Windows?

Когда встаёт вопрос как работает Windows, мы подразумеваем тот факт, что речь идёт о ОС семейства Microsoft различных поколений, в принципе работы которых, конечно, немало общего. Не будет ошибкой, если мы вычленим основные четыре функции любой современной операционной системы, и посмотрим, как Windows с ними справляется. В этой статье приводится формальное описание работы операционной системы семейств Windows, приводится список основных компонентов системы. Я покажу, как Windows управляет программами и работает с оборудованием и расскажу о понятиях процесс , поток и др. Статья не для профессионалов (разве можно описать как работает Windows в ЕДИНСТВЕННОЙ статье?) и поможет начинающему получить общее представление о принципе работы Windows.

ВНИМАНИЕ! СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА. МАТЕРИАЛЫ ДОБАВЛЯЮТСЯ ПО МЕРЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА БЛОГА.СПАСИБО ЗА ПОНИМАНИЕ.

Чем занимается операционная система?

Любой работающий компьютер есть связка четырёх типов программного обеспечения: операционная система, программы и приложения, драйверы и BIOS Вот основные функции операционной системы, которые определяют её место среди прочих программных оболочек.

• управление оборудованием (включает в себя приём микрокода от BIOS чипа материнской платы, управление оперативной памятью, диагностику неисправностей и сочленение установленного оборудования и программ к нему)
• управление программами (включает в себя установку и удаление программ, запуск программ и участие работе “железных” компонентов от имени программ)
• управление файлами (всё, что можно создавать, перемещать и удалять на твердотельных накопителях)
• создание пользовательского интерфейса (графического или командного/текстового) для обеспечения или контроля всех или многих указанных выше функций

Компоненты Windows, или из чего Windows состоит

Как работает Windows блочно можно отобразить так:

Из схемы видно, что основными компонентами любой операционной системы являются три блока:

Как работает Windows: программная оболочка = Shell

Это часть операционной системы, которая завязана и с пользователем и с приложениями. Именно шелл позволяет нам запускать флешки, устанавливать программы, запускать word-вый документ и печатать в нём, сохраняя в любое дозволенное системой место, которое заметно проводнику. Shell – это и File Explorer (проводник Windows), и контрольная панель Пуск, и окна Свойства системы и Мой компьютер. Человек или пользователь знает шелл как различные инструменты пользовательского интерфейса, такие как диалоговые окна, ярлыки и иконки, контекстные меню дополнительных команд.

А для программ шелл это команды и процедуры, которые эти программы могут вызывать: печать информацию через принтер, читать данные из баз, отображать что-то на экране.

Сам шелл состоит из нескольких подсистем, которые управляются в пользовательском режиме. Такой режим означает, что эти подсистемы имеют очень ограниченный доступ к системной информации, и доступ к “железу” может осуществляться ТОЛЬКО через системные службы (службы самой Windows). Одна из таких подсистем – подсистема безопасности Win32 – обеспечивает вход в систему (регистрацию пользователя), сохранение и распространение его привилегий на файлы и папки, а также другие функции безопасности. Абсолютно все программы и приложения “здороваются с Windows” только через подсистему Win32.

Как работает Windows : Ядро

Как и в других ОС, отвечает за работу с оборудованием, которое внутри компьютера находится или во время работы к компьютеру “пристёгивается”. Режим ядра полномочий имеет гораздо больше. Никакая программа, установленная в Windows, не имеет доступа к “железу” напрямую – только через шелл, который, в свою очередь, посылает все запросы к ядру. Такая система взаимодействия обеспечивает стабильную работу ОС. Это чем-то напоминает ресторан: перед тем как заказать блюдо, вам нужно позвать официанта (к шеф-повару и на саму кухню вас не пропустят).

Ядро состоит из двух компонентов:

• слой аппаратных абстракций HAL – hardware abstraction layer
  – (ближайший к железу уровень)
• уровень исполнительных служб (обеспечивает взаимодействие подсистем в пользовательском режиме со слоем аппаратных абстракций)

Что здесь нужно запомнить? Логика работы ясна уже из описания: исполнительные службы Windows работают с оборудованием при помощи самого HAL и драйверов для конкретного устройства. Такой принцип работы устанавливается незаметно для глаз пользователя в момент установки Windows на компьютер. В тот самый момент, когда мы видим строки состояния установки компонентов и служб/программ, и строится структура слоя HAL на основе процессора, который в материнской плате вашей машины установлен. То есть привычные процессы во время установки Windows предстают теперь в таком свете:

загрузка шелл пользовательского интерфейса

приглашение к компиляции HAL

То, что появится после установки ОС, перенести на другой компьютер один в один не получится: для нормальной работы в новой конфигурации до– или переустановка отдельных драйверов или целого их пакета неизбежна.

Как работает Windows: Данные конфигурации

Ну, а всем операционным системам нужно место, где данные о программах и оборудовании, а также настройках и предпочтении пользователя можно хранить. Нужно хранить информацию и о том, как пользователь хочет, чтобы Windows и программы выглядели, где хранить скачиваемое и создаваемое и т.д. Для всего этого (или для почти всего) Windows использует … правильно, реестр. Некая информация хранится в файлах инициализации (характерные файлы с расширением .ini и .inf).

И когда установленная программа запускается, перед появлением какого-либо окна она сначала посмотрит реестр и прочитает эти файлы, и только потом уже запуск приложения можно считать успешным.

Как Windows управляет программами?

Если программа установлена, мы подразумеваем, что её остов где-то хранится. Чаще всего это жёсткий диск или флешка. Когда пользователь запускает программу, некоторые из её файлов копируются в оперативную память. Так появляется процесс. практически в том виде, каком мы видим его в Диспетчере задач или Process Explorer. Процессом можно назвать программу, запущенную вместе с соответствующими системными службами и другими ресурсами. Ресурсы нередко включают в себя и другие программы, включая захват дополнительных ячеек оперативной памяти для временного хранения данных. Когда процесс делает запрос к системе по типу “Мне нужны ресурсы!”, подразумевается, что программа обращается именно к подсистеме Win32. Так появляется поток данных. Поток – это единичная, выделенная задача (запустить или создать документ, вставить рисунок из буфера обмена, распечатать документ на принтере и т.д.). Схематично это выглядит так:

Как видите, потоков может быть несколько. Это называется многопоточность/мультипоточность: например, окна браузеров могут запускаться в нескольких вкладках или нескольких отдельных окнах. Выражаясь технически, в обоих случаях речь идёт о нескольких разных процессах браузер.exe.

Принципы работы Windows–приложения. Обработка сообщений. Принципы вывода данных в окно

1. Определение класса окна (структура, определяющая свойства окна) — задание свойств окна.

2. Регистрация окна. Функция RegisterClass возвращает уникальный «описатель класса окна» типа ATOM. Если при регистрации класса произошла ошибка, это значение будет равно нулю. Чтобы узнать, что произошло, можно вызвать функцию GetLastError().

3. Создание окна данного класса.

4. Отображение окна. ShowWindow(hWnd, mode); //Показать окно

5. Запуск цикла обработки сообщений. Задается оператором while, аргументом которого является функция GetMessage(&msg, NULL, 0, 0).

9. Библиотеки динамической компоновки в С++ и C#. Построение библиотек и методы их использования.

Библиотеки являются хорошим способом повторного использования кода. Вместо повторной реализации одних и тех же процедур в каждой программе, вы создаете их один раз и затем ссылаетесь на них из других приложений. Поместив код в библиотеке DLL, вы сэкономите место в каждом приложении, которое ссылается на этот код, а также сможете обновлять DLL без перекомпиляции всех приложений.

Практически невозможно создать приложение Windows, в котором не использовались бы библиотеки DLL. В DLL содержатся все функции Win32 API и несчетное количество других функций операционных систем Win32.

Вообще говоря, DLL — это просто наборы функций, собранные в библиотеки. Однако, в отличие от своих статических родственников (файлов .lib), библиотеки DLL не присоединены непосредственно к выполняемым файлам с помощью редактора связей. В выполняемый файл занесена только информация об их местонахождении. В момент выполнения программы загружается вся библиотека целиком. Благодаря этому разные процессы могут пользоваться совместно одними и теми же библиотеками, находящимися в памяти. Такой подход позволяет сократить объем памяти, необходимый для нескольких приложений, использующих много общих библиотек, а также контролировать размеры ЕХЕ-файлов.

Однако, если библиотека используется только одним приложением, лучше сделать ее обычной, статической. Конечно, если входящие в ее состав функции будут использоваться только в одной программе, можно просто вставить в нее соответствующий файл с исходным текстом.

Чаще всего проект подключается к DLL статически, или неявно, на этапе компоновки. Загрузкой DLL при выполнении программы управляет операционная система. Однако, DLL можно загрузить и явно, или динамически, в ходе работы приложения.

Загрузка неявно подключаемой DLL.

При запуске приложение пытается найти все файлы DLL, неявно подключенные к приложению, и поместить их в область оперативной памяти, занимаемую данным процессом. Поиск файлов DLL операционной системой осуществляется в следующей последовательности:

· Каталог, в котором находится ЕХЕ-файл.

· Текущий каталог процесса.

· Системный каталог Windows.

Если библиотека DLL не обнаружена, приложение выводит диалоговое окно с сообщением о ее отсутствии и путях, по которым осуществлялся поиск. Затем процесс отключается.

Если нужная библиотека найдена, она помещается в оперативную память процесса, где и остается до его окончания. Теперь приложение может обращаться к функциям, содержащимся в DLL.

Динамическая загрузка и выгрузка DLL.

Вместо того, чтобы Windows выполняла динамическое связывание с DLL при первой загрузке приложения в оперативную память, можно связать программу с модулем библиотеки во время выполнения программы (при таком способе в процессе создания приложения не нужно использовать библиотеку импорта). В частности, можно определить, какая из библиотек DLL доступна пользователю, или разрешить пользователю выбрать, какая из библиотек будет загружаться. Таким образом можно использовать разные DLL, в которых реализованы одни и те же функции, выполняющие различные действия. Например, приложение, предназначенное для независимой передачи данных, сможет в ходе выполнения принять решение, загружать ли DLL для протокола TCP/IP или для другого протокола.

Загрузка обычной DLL.

Первое, что необходимо сделать при динамической загрузке DLL, — это поместить модуль библиотеки в память процесса. Данная операция выполняется с помощью функции ::LoadLibrary, имеющей единственный аргумент — имя загружаемого модуля.

Стандартным расширением файла библиотеки Windows считает .dll, если не указать другое расширение. Если в имени файла указан и путь, то только он будет использоваться для поиска файла. В противном случае Windows будет искать файл по той же схеме, что и в случае неявно подключенных DLL, начиная с каталога, из которого загружается exe-файл, и продолжая в соответствии со значением PATH.

Когда Windows обнаружит файл, его полный путь будет сравнен с путем библиотек DLL, уже загруженных данным процессом. Если обнаружится тождество, вместо загрузки копии приложения возвращается дескриптор уже подключенной библиотеки.

Если файл обнаружен и библиотека успешно загрузилась, функция ::LoadLibrary возвращает ее дескриптор, который используется для доступа к функциям библиотеки.

Перед тем, как использовать функции библиотеки, необходимо получить их адрес. Для этого сначала следует воспользоваться директивой typedef для определения типа указателя на функцию и определить переменную этого нового типа. Затем следует получить дескриптор библиотеки, при помощи которого и определить адреса функций.

Адрес функции определяется при помощи функции ::GetProcAddress, ей следует передать имя библиотеки и имя функции. Последнее должно передаваться в том виде, в котором экспортируется из DLL.

После завершения работы с библиотекой динамической компоновки, ее можно выгрузить из памяти процесса с помощью функции ::FreeLibrary.

Загрузка MFC-расширений динамических библиотек.

При загрузке MFC-расширений для DLL (подробно о которых рассказывается далее) вместо функций LoadLibraryи FreeLibrary используются функции AfxLoadLibrary и AfxFreeLibrary. Последние почти идентичны функциям Win32 API. Они лишь гарантируют дополнительно, что структуры MFC, инициализированные расширением DLL, не были запорчены другими потоками.

Динамическая загрузка применима и к ресурсам DLL, используемым MFC для загрузки стандартных ресурсов приложения. Для этого сначала необходимо вызвать функцию LoadLibrary и разместить DLL в памяти. Затем с помощью функции AfxSetResourceHandle нужно подготовить окно программы к приему ресурсов из вновь загруженной библиотеки. В противном случае ресурсы будут загружаться из файлов, подключенных к выполняемому файлу процесса. Такой подход удобен, если нужно использовать различные наборы ресурсов, например, для разных языков.

Дисциплины: «Базы данных», «Корпоративные информационные системы», «Проектирование информационных систем»