Защищенный режим работы процессора

Режимы адресации, дескрипторы

РЕЖИМ ВИРТУАЛЬНОЙ АДРЕСАЦИИ (РЕЖИМ ВА)

Механизм (схема) адресации

В формировании исполнительного адреса участвуют два компонента: 16-ти битовый селектор, используемый для определения адреса базы сегмента и 32-х битовый эффективный адрес.

Сформированный исполнительный адрес является физическим адресом, если не используется механизм страничной адресации. В противном случае, он преобразуется в физический. В режиме ВА селектор используется, как индекс, указывающий операционной системе на определенный элемент специальной таблицы, в которую помещен 32-х битовый адрес базы данного сегмента. Физический адрес формируется сложением базового адреса с 32-х битовым смещением.

Страничная адресация памяти является дополнительным механизмом управления памятью, используемым только в режиме ВА. Этот механизм позволяет преобразовывать исполнительные адреса в физические.

Сегментация

Таблицы дескрипторов

Таблицы дескрипторов определяют все сегменты, которые используются в системе на базе 80386.

Каждая из таблиц храниться в своей области памяти и имеет размер от 8 байт до 64 кбайт. Каждая таблица может содержать до 8к 8-ми байтных дескрипторов. Старшие 13 бит селектора используются в качестве индекса дескрипторной таблицы. Для обращения к таблицам имеются специальные регистры, хранящие 32-х битовый исполнительный адрес и 16 битовую границу данной таблицы.

Эти регистры GDTR, LDTR и IDTR загружаются командами LGDT, LLDT, LIDT и сохраняются командами SGDT, SLDT и SIDT. Манипуляция таблицами осуществляется операционной системой при помощи привилегированных команд.

Таблица глобальных дескрипторов (GDT)

Таблица локальных дескрипторов (LDT)

Таблица LDT содержит дескрипторы, используемые в данной задаче. Обычно ОС разрабатываются таким образом, чтобы каждая задача имела отдельную LDT. LDT может содержать только дескрипторы команд, данных, стека, номера задачи и вызова номера. Таблицы LDT служат механизмом для изоляции сегментов команд и данных отдельных задач от ОС, в то время, как GDT хранит дескрипторы сегментов, являющихся общими для всех задач. Сегмент не может быть доступен задаче, если его дескриптор отсутствует внутри текущей LDT или GTR. Это обеспечивает защиту сегментов задач и в то же время, совместное использование глобальных данных различными задачами. В отличие от 6-ти байтовых GDT и IDT регистров, которые хранят базовый адрес и ограничитель, видимая часть регистра LDT хранит только 16 битовый селектор. Этот селектор определяет дескриптор LDT в GDT.

Таблица дескрипторов прерываний (IDT)

IDT содержит дескрипторы, указывающие расположение 256 подпрограмм обслуживания прерываний. IDT может хранить только вектора задач, вектора прерываний и вектора трассировок. IDT должна быть не менее, чем 256 байтовой, чтобы хранить дескрипторы 32 прерываний, зарезервированных ф. Intel. Каждое прерывание, используемое в системе, должно быть описано в IDT. IDT используется при выполнении команд INT, внешних запросов прерываний в особых ситуациях.

Дескрипторы

Биты атрибутов дескриптора

Все сегменты 80386 имеют 3 единых поля: P, DPL, S.

Дескрипторы команд и данных (S=1)

Формат такого дескриптора и байт прав доступа приведены на рис.4-6 и табл.4-1 соответственно.

Дескрипторы сегментов команд и данных имеют несколько общих полей: A, G.

Система на базе 80386 может включать сегменты как байтовой размерностью, так и со страничной размерностью, если включен блок страничной адресации.

Бит Е указывает, какой из сегментов выполняется: командный (E=1, S=1) или данных (E=0, S=1).

Кодовый сегмент может находится в стадии только выполнения (бит R=0) или выполнения/чтения (R=1). Запись в кодовый сегмент не возможна.

Замечания.

Кодовые сегменты могут изменяться, через вымышленные имена (метки). Метки приписываются сегментам данных, которые располагаются в некотором пространстве исполнительных адресов, как сегменты команд.

Бит D указывает размерность операндов и эффективных адресов (32 бита при D=1, 16 бит при D=0). Это позволяет выполнять команды для 80286.

Другим атрибутом сегментов команд является бит согласования С. При С=1 согласованные сегменты могут выполняться в режиме разделения программами, имеющими различные уровни привилегированности.

Сегменты, определяемые как сегменты данных (E=0, S=1), могут быть двух типов: сегменты стека и сегменты данных. Бит направления расширения (ED) определяет тип сегмента. Если сегмент стековый, то смещение должно быть больше, чем граница сегмента. Для сегмента данных смещение должно быть меньше или равно границе сегмента. Другими словами, сегменты стека начинаются от базы исполнительного адреса + максимального размера сегмента и размещаются в сторону уменьшения до базы исполнительного адреса + граница. Сегмент данных начинается с базы исполнительного адреса и кончается границей сегмента.

Бит записи W управляет записью в сегменте. При W=0 сегменты данных работают только на чтение. Стековые сегменты должны иметь W=1.

Форматы системных дескрипторов

Эти дескрипторы содержат информацию о системных таблицах, задачах и паролях. Системный дескриптор 80386 имеет 32 разрядную базу и 20 битовую границу, системный дескриптор 80286 соответствует 24 и 16 бит (старшие 16 бит равны 0).

Дескрипторы LDT (S=0, TYPE=2)

Дескрипторы LDT содержат информацию о таблицах локальных дескрипторов. Таблица локальных дескрипторов содержит дескрипторы сегментов, используемых конкретной задачей. Команда загрузки регистра LDT должна иметь нулевой уровень привилегированности (поле DPL игнорируется).

Дескрипторы TSS (S=0, TYPE = 1, 3, 9, B)

Дескрипторы шлюзов (S=0, TYPE=4-7, C, F)

Шлюзы используются для управления доступом к определенным точкам внутри управляющего кодового сегмента.

Шлюзы реализуют дисциплину взаимодействия при управлении передачей между источником и приемником. При взаимодействии процессор автоматически проверяет защиту. Это также позволяет проектировщикам системы управлять точками внутри ОС. Шлюзы вызова используются для изменения уровней привилегированности. Шлюзы задач используются для переключения задач, а шлюзы прерываний и трассировок используются для определения специальных программ обслуживания прерываний.

Шлюз вызова, главным образом, используются для передачи управления программам с более высоким уровнем привилегированности.

Поле счетчика слов используется только в шлюзах вызыва, которые изменяют уровень привилегированности, в остальных типах это поле игнорируется.

Шлюзы прерываний и трассировок используют поля селектора назначения и смещения назначения дескриптора для указания начала программ управления прерыванием или трассировкой. Различия между шлюзами прерываний и шлюзами трассировок заключается в том, что шлюз прерывание выключает прерывания (сбрасывает бит IF) в то время, как шлюз трассировки нет.

Шлюзы задач используются при переключении задач. Шлюзы задач могут обращаться только к сегменту состояния задач (TSS), поэтому используется только селекторная часть а смещение игнорируется.

Прерывание 13 формируется, когда селектор назначения указывает на некорректный тип дескриптора.

Поле селектора

В дополнение к величине селектора каждый сегментный регистр имеет связанный с ним регистр (КЭШ ЗУ) дескриптора сегмента. Когда происходит изменение содержимого сегментного регистра, 8-ми байтный дескриптор, связанный с этим селектором, автоматически переписывается в процессор. Эта информация используется до тех пор, пока не потребуется доступ к другому сегменту. Содержимое дескрипторных регистров программно недоступно (невидимо для программистов). При программном изменении дескрипторных таблиц, хранящихся в ЗУ, необходимо осуществлять перезагрузку дескрипторных регистров.

Форматы регистров дескрипторов

Содержимое этих регистров зависит от режима работы МП. Формат регистров для режима RM приведен на рис.4-11.

Формат регистров в режиме РМ представлен на рис.4-12.

В РМ значения полей определяется содержимым дескриптора сегмента индексированного селектором.

Формат регистра для режима виртуального 8086 приведен на рис.4-13.

В отличие от режима RM виртуальная программа имеет минимальный уровень привилегированности (=3), обеспечивая трассировку всех команд IOPL и команд с нулевым уровнем привилегированности.

Источник

Процессы и потоки, диспетчер задач windows, синхронизация потоков.

В этой статье мы поговорим на такие темы, как процессы и потоки, дискрипторы процесса, поговорим о синзронизации потоков и затронем всеми любимый диспетчер задач windows.

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называется контекстом процесса.

Для того чтобы ОС могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится дескриптор процесса.

Дескриптор – специальная информационная структура, которая заводится на каждый процесс (описатель задачи, блок управления задачей).

В общем случае дескриптор содержит следующую информацию:

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.

Дескрипторы, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой.

Для каждого состояния (за исключением состояния выполнения для однопроцессорной системы) ОС ведет соответствующий список задач, находящийся в этом состоянии. Однако для состояния ожидания может быть не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания.

Например, состояний ожидания завершения операции ввода/вывода может быть столько, сколько устройств ввода/вывода содержится в системе.

Процессы и потоки

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренне единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы:

В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС отвечает за конкуренцию между процессами по поводу ресурсов.

Для повышения быстродействия процессов есть возможность задействовать внутренний параллелизм в самих процессах.

Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования ЦП. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (потоков), которые будут выполняться параллельно с другими «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса).

Можно выделить следующие отличия потоков от процессов:

Главное, что обеспечивает многопоточность, — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. За счет чего реализуется эффективное использование ресурсов ЦП, а суммарное время выполнения задач становится меньше.

Например, если табличный процессор или текстовый процессор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ.

Диспетчер задач WINDOWS

В диспетчере задач отображаются сведения о программах и процессах, выполняемых на компьютере. Кроме того, там можно просмотреть наиболее часто используемые показатели быстродействия процессов.

Диспетчер задач служит для отображения ключевых показателей быстродействия компьютера. Для выполняемых программ можно просмотреть их состояние и завершить программы, переставшие отвечать на запросы. Имеется возможность просмотра активности выполняющихся процессов с использованием до 15 параметров, а также графиков и сведений об использовании ЦП и памяти.

Кроме того, если имеется подключение к сети, можно просматривать состояние сети и параметры ее работы. Если к компьютеру подключились несколько пользователей, можно увидеть их имена, какие задачи они выполняют, а также отправить им сообщение.

На вкладке Процессы отображаются сведения о выполняющихся на компьютере процессах: сведения об использовании ЦП и памяти, счетчике процессов и некоторые другие параметры:

На вкладке Быстродействие, отображаются сведения о счетчике дескрипторов и потоках, параметры памяти:

Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной ОС и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов компьютера. Синхронизация необходима для исключения гонок (см. далее) и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Синхронизация потоков и процессов заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события.

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы.

Пример. Задача ведения базы данных клиентов некоторого предприятия.

Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе:

Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы:

Обозначим шаги 1-3 для потока А как А1-А3, а для потока В как В1-В3. Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие истечение кванта времени.

Предположим, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается. Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» программы. Критическая секция — это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Простейший способ обеспечить взаимное исключение — позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ непригоден, так как опасно доверять управление системой пользовательскому процессу; он может надолго занять процессор, а при крахе процесса в критической области крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Другим способом является использование блокирующих переменных. С каждым разделяемым ресурсом связывается двоичная переменная, которая принимает значение 1, если ресурс свободен (то есть ни один процесс не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 0, если ресурс занят. На рисунке ниже показан фрагмент алгоритма процесса, использующего для реализации взаимного исключения доступа к разделяемому ресурсу D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию процесс проверяет, свободен ли ресурс D. Если он занят, то проверка циклически повторяется, если свободен, то значение переменной F(D) устанавливается в 0, и процесс входит в критическую секцию. После того, как процесс выполнит все действия с разделяемым ресурсом D, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Если все процессы написаны с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. Следует заметить, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой. Поясняется это следующим образом. Пусть в результате проверки переменной процесс определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой процесс занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому процессу, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелаемым последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд машины желательно иметь единую команду «проверка-установка», или же реализовывать системными средствами соответствующие программные примитивы, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов. В разных операционных системах аппарат событий реализуется по-своему, но в любом случае используются системные функции аналогичного назначения, которые условно называются WAIT(x) и POST(x), где x — идентификатор некоторого события.

Если ресурс занят, то процесс не выполняет циклический опрос, а вызывает системную функцию WAIT(D), здесь D обозначает событие, заключающееся в освобождении ресурса D. Функция WAIT(D) переводит активный процесс в состояние ОЖИДАНИЕ и делает отметку в его дескрипторе о том, что процесс ожидает события D. Процесс, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции выполняет системную функцию POST(D), в результате чего операционная система просматривает очередь ожидающих процессов и переводит процесс, ожидающий события D, в состояние ГОТОВНОСТЬ.

Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел два новых примитива. В абстрактной форме эти примитивы, обозначаемые P и V, оперируют над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами. Пусть S такой семафор. Операции определяются следующим образом:

V(S): переменная S увеличивается на 1 одним неделимым действием; выборка, инкремент и запоминание не могут быть прерваны, и к S нет доступа другим процессам во время выполнения этой операции.

P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P.

Взаимоблокировка процессов

При организации параллельного выполнения нескольких процессов одной из главных функций ОС является корректное распределение ресурсов между выполняющимися процессами и обеспечение процессов средствами взаимной синхронизации и обмена данными.

При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса все время находятся в заблокированном состоянии. Самый простой случай – когда каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом. Из-за такого ожидания ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить в конечном итоге ресурс, необходимый другому процессу. Эта тупиковая ситуация называется дедлоком (dead lock), тупиком, клинчем или взаимоблокировкой.

Говорят, что в мультизадачной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждет события, которое никогда не произойдет.

Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя и те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь — это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же является в некотором роде неразрешимой ситуацией.

Проблема тупиков включает в себя следующие задачи:

Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в предыдущем примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Второй подход к предотвращению тупиков называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам, например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов.

В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими много ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.

Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить «откат» некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика.

Источник

Преодолевая границы Windows: дескрипторы

Это уже пятая статья из моей серии публикаций «Преодолевая границы Windows», в которых я рассказываю о максимальном значении и объеме ресурсов, которыми управляет Windows, таких как физическая память, виртуальная память, процессы и потоки:

В большинстве случаев эти ограничения для дескрипторов находятся далеко от тех значений, которые обычно используются приложениями или системой. Однако, приложения, при разработке которых не учитывались эти ограничения, могут достигнуть их неожиданными для разработчиков путями. Чаще всего подобные проблемы возникают из-за того, что срок жизни этого вида ресурсов должен управляться приложениями, и, как в случае с виртуальной памятью, задача управления сроком жизни ресурсов является своего рода вызовом даже для самых лучших разработчиков. Приложение, которое не в состоянии освобождать неиспользуемые ресурсы, вызывает их утечку, что, в конечном счете, может привести к тому, что предел использования ресурса будет достигнут, приводя к странному и трудно диагностируемому поведению как данного, так и других приложений, или же всей системы в целом.

Как обычно, я рекомендую вам прочитать мои предыдущие публикации, поскольку в них объясняются некоторые из понятий, используемых в данной статье (например, выгружаемый пул).

Дескрипторы и объекты
Ядро Windows, работающее в привилегированном режиме, реализованное в образе %SystemRoot%\System32\Ntoskrnl.exe, состоит из различных подсистем, таких как диспетчер памяти, диспетчер процессов, диспетчер ввода/вывода, диспетчер конфигураций (системный реестр), которые является частями исполнительной системы. Каждая из этих подсистем вместе с диспетчером объектов определяет один или более типов для представления ресурсов, которые они выделяют приложениям. Например, диспетчер конфигураций определяет объект «ключ» (Key) для представления открытого ключа системного реестра; диспетчер памяти объект «Секция» (Section) для общей памяти; исполнительная система определяет объекты «семафор» (Semaphore), «мутант» (Mutant, внутреннее название для мьютекса) и «синхронизация событий» (Event synchronization) (эти объекты представляют собой оболочку для структур данных, определенных подсистемой Ядро операционной системы); диспетчер ввода/вывода определяет объект «файл» (File) для представления открытых экземпляров ресурсов драйверов устройств, которые включают в себя файлы файловой системы; и, наконец, диспетчер процессов создает объекты «поток» (Thread) и «процесс» (Process), о которых я рассказывал в своей последней публикации из данной серии. Каждый релиз Windows вводит новые типы объектов, в том числе и Windows 7, которые принес с собой в общей сложности 42 новых типа. Определенный в вашей системы объекты вы можете увидеть при помощи утилиты Winobj от Sysinternals, запущенной с правами администратора, открыв директорию ObjectTypes пространства имен Object Manager:

Когда приложение желает получить управление над одним из этих ресурсов, оно сначала должно вызвать соответствующий API, чтобы создать или открыть ресурс. Например, функция CreateFile открывает или создает файл, функция RegOpenKeyEx открывает ключ реестра, а функция CreateSemaporeEx открывает или создает семафор. Если такая функция успешно выполняется, Windows размещает дескриптор в таблице дескрипторов процесса приложения и возвращает значение этого дескриптора, которое приложение обрабатывает неявно, однако фактически речь идет об индексе возвращенного дескриптора в таблице дескрипторов.

Если бы этот процесс попытался бы что-то записать в файл, то функция завершила выполнение с ошибкой, поскольку подобный вид доступа к файлу не был предоставлен, а факт кэширования доступа на чтение означает, что система не должна снова повторять более затратную в плане ресурсов проверку прав доступа.

Этот результат, однако, не отображает общее количество дескрипторов, которые может создать процесс, поскольку системные библиотеки DLL открывают различные объекты во время инициализации процесса. Общее число дескрипторов процесса вы можете увидеть, добавив соответствующую колонку в диспетчере задач или Process Explorer. Общее цифра для Testlimit в данном случае равна 16’771’680:

Когда вы запускаете Testlimit на 32-битной системе, число дескрипторов будет немного отличаться:

Общее число дескрипторов также другое, 16’744’448:

Чем обуславливаются эти различия? Ответ состоит в том, что исполнительная система, ответственная за управление таблицей дескрипторов, устанавливает ограничение на количество дескрипторов для каждого процесса, а также на размер записи в таблице дескрипторов. Здесь мы имеем дело с одним из тех редких случаев, когда Windows устанавливает жесткое ограничение на использование ресурса, так что в данном случае исполнительная система определяет число 16’777’216 (16*1024*1024) как максимальное количество дескрипторов, которое может быть выделено процессу. Любой процесс, которые имеет более десяти тысяч дескрипторов одновременно в какой-либо момент времени, весьма вероятно имеет либо серьезные недочеты, допущенные при его проектировании, или утечку дескрипторов. Так что предел в 16 миллионов дескрипторов практически недостижим и призван помочь предотвратить утечку памяти, вызванную вмешательством в работу процесса со стороны остальной системы. Чтобы понять причину того, почему число, отображаемое в диспетчере задач, отличается от жестко установленного максимума, требуется рассмотреть то, каким образом исполнительная система организовывает таблицу дескрипторов.

Запись таблицы дескрипторов должна иметь достаточный размер для того, чтобы хранить маску прав доступа и указатель на объект. Маска доступа является 32-битной, но размер указателя, очевидно, зависит от того, является система 32-битной или 64-битной. Следовательно, запись дескриптора занимает 8 байт на 32-битной Windows и 12-байт на 64-битной Windows. 64-битная Windows дополняет структуры данных записи дескриптора до 64-битных границ, так что 64-битная запись дескриптора фактически занимает 16 байт. Вот определение записи дескрипторов на 64-битной Windows, отображенное в отладчике ядра с помощью команды dt (dump type):

Здесь мы видим, что данная структура содержит в себе и другую информацию, помимо указателя на объект и маски доступа, выделенных на скриншоте.

Дескрипторы и выгружаемый пул
Вторым ограничением, касающимся дескрипторов, является объем памяти, требуемой для хранения таблицы дескрипторов, который исполнительная система выделяет из выгружаемого пула. Исполнительная система для отслеживания выделяемых ею под таблицы дескрипторов страниц использует трехуровневую схему, подобную той, которую используют модули управления памятью (MMU) процессора для руководства трансляциями виртуальных адресов в физические. Мы уже рассматривали с вами организацию нижнего и среднего уровней, которые фактически хранят в себе записи таблицы дескрипторов. Верхний уровень служит в качестве указателей на таблицы среднего уровня и включает в себя 1024 записи на страницу в 32-битной Windows. Отсюда следует, что общее количество страниц, требуемых для хранения максимального числа дескрипторов для 32-битной Windows можно вычислить как 16’777’216/512*4096, что равно 128 Мб. Это совпадает с показателями использования Testlimit выгружаемого пула, которые показывает диспетчер задач:

В 64-битной версии Windows на верхнем уровне содержится 256 указателей на страницу. Это означает в общем для размещения полной таблицы дескрипторов используется 256 Мб выгружаемого пула (16’777’216/256*4096). Правильность данных вычислений подтверждается показателями использования Testlimit выгружаемого пула на 64-битной Windows:

Объема выгружаемого пула более чем достаточно, чтобы сохранить эти структуры данных, однако, как я уже говорил ранее, процесс, который создает слишком много дескрипторов, почти наверняка исчерпает какой-то другой ресурс, и, если он достигнет ограничения на количество дескрипторов для одного процесса, то ему не удастся открыть никакие другие объекты.

По умолчанию Process Explorer показывает только дескрипторы, которые указывают на объекты, имеющие имена, что означает, что вы не увидите всех дескрипторов процесса, если не включите опцию «Show Unnamed Handles and Mappings» в меню View. Вот некоторые безымянные дескрипторы из таблицы дескрипторов командной строки:

Как и в случае с большинством других ошибок, только разработчик кода, из-за которого происходит утечка, может исправить это. Если вы обнаружили утечку у процесса, который состоит из нескольких компонентов или расширений, например, Explorer, Service Host или Internet Explorer, то главный вопрос состоит в том, какая из этих частей ответственна за утечку. Определение такого компонента позволило бы вам избежать появления проблемы, отключив или удалив проблемное расширение, проверить его на наличие обновлений, исправляющих эту ошибку или сообщить о ней разработчику.

Прекрасным источником советов о том, как можно устранить утечки дескрипторов является интервью инженера по технической поддержке Microsoft Джеффа Дэйли (Jeff Dailey) для Channel 9.

В следующий раз я рассмотрю ограничения, установленные для таких основанных на дескрипторах ресурсов, как объекты GDI и USER. Дескрипторы этих ресурсов управляются подсистемой Windows, отличной от исполнительной системы, а потому используют другие ресурсы и имеют другие ограничения.

Источник