Объекты. Менеджер объектов. Реестр

Введение

Для работы с важными системными ресурсами ОС Windows создает объекты, управление которыми осуществляет менеджер объектов. Когда приложение открывает файл, создает поток или семафор, оно получает описатель ( handle ) соответствующего объекта (см. рис. 4.1). Например, после выполнения программного оператора

hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, MaxCount, "MySemaphore");

создающего семафор, возвращаемый описатель hSemaphore необходим приложению для последующей работы с этим семафором.

Рис. 4.1. Создание объекта "семафор" приложением

В данном разделе дается краткое описание того, как функционирует менеджер объектов. С объектами придется сталкиваться на протяжении всего курса. Объекты - абстрактная концепция, которая активно используется в ОС Windows для регулирования доступа к системным ресурсам.

Наличие объектов является несомненным достоинством системы. Во-первых, это единый интерфейс ко всем системным ресурсам и структурам данных, таким, как процессы, потоки, семафоры и т.д. Именование объектов и доступ к ним осуществляются по одной и той же схеме. Использование объектов дает Microsoft возможность обновлять функциональность системы, не затрагивая программного интерфейса приложений. Во-вторых, это очень удобно с точки зрения системной безопасности. Каждый объект имеет список прав доступа, который проверятся каждый раз, когда приложение создает свой описатель объекта. Соответственно, все проверки, связанные с защитой, могут быть выполнены в одном модуле - диспетчере объектов (в соответствии с требованиями безопасности), с гарантией, что ни один процесс не может их обойти. Наконец, легко организовать совместный доступ к объектам, несложно отследить объекты, которые больше не используются, и т.д.

Объекты присутствуют почти во всех компонентах системы, особенно там, где есть данные, которые нужно разделять, защищать, именовать или сделать доступными. Например, посредством объектов реализованы программные и аппаратные прерывания, а также многие другие функции ядра. Некоторые объекты доступны пользовательским приложениям через вызовы Win32. Поэтому иногда ОС Windows называют объектно-ориентированной системой, - так, доступ к ресурсу возможен только через методы соответствующего объекта (инкапсуляция данных). Вместе с тем в данной схеме отсутствуют наследование и полиморфизм, поэтому ОС Windows нельзя считать объектно-ориентированной в строгом смысле этого слова.

Объекты ядра

В рамках данного курса нам придется активно использовать объекты, называемые в руководствах по Win32-программированию объектами ядра (kernel objects). Поддержка объектов ядра осуществляется собственно ядром и исполнительной системой. Помимо объектов ядра имеются также объекты, предназначенные для управления окнами (User), и объекты, предназначенные для управления графикой (GDI). Изучение этих категорий объектов, реализуемых подсистемой поддержки окон и графики и ориентированных на разработку графических интерфейсов пользователя, выходит за пределы данного курса.

К сожалению, понятие "объект ядра" имеет разный смысл у разных авторов (ср., например, это понятие в MSDN или в [ Рихтер ] , c одной стороны, и в [ Руссинович ] - с другой), поэтому для дальнейшего изложения потребуется уточнение терминологии.

Дело в том, что совокупность объектов образует слоеную структуру. Ядро поддерживает базовые объекты двух видов: объекты диспетчера (события, мьютексы, семафоры, потоки ядра, таймеры и др.) и управляющие (DPC, APC, прерывания, процессы, профили и др.) Более подробно эти внутриядерные объекты описаны в [ Руссинович ] .

Над объектами ядра находятся объекты исполнительной системы, каждый из которых инкапсулирует один или более объектов ядра. Объекты исполнительной системы предназначены для управления памятью, процессами и межпроцессным обменом. Они экспортируются в распоряжение пользовательских приложений через Win32 функции. К ним относятся такие объекты, как: процесс, поток, открытый файл, семафор, мьютекс, маркер доступа и ряд других. Полный список можно увидеть в MSDN. Эти объекты и называются объектами ядра в руководствах по программированию.

Внешнее отличие объектов ядра (объектов исполнительной системы) от объектов User и GDI состоит в наличии у первых атрибутов защиты, которые являются одним из параметров, создающих объект ядра функций. Далее эти объекты ядра (объекты исполнительной системы) будут называться просто объектами.

Объект представляет собой блок памяти в виртуальном адресном пространстве ядра. Этот блок содержит информацию об объекте в виде структуры данных (см. ниже "структура объекта"). Структура содержит как общие, так и специфичные для каждого объекта элементы. Объекты создаются в процессе загрузки и функционирования ОС и теряются при перезагрузке и выключении питания.

Содержимое объектов доступно только ядру, приложение не может модифицировать его непосредственно. Доступ к объектам можно осуществить только через его функции-методы (инкапсуляция данных), которые инициируются вызовами некоторых библиотечных Win32-функций.

Структура объекта. Методы объекта

Рис. 4.2. Структура объекта

Как показано на рис. 4.2, каждый объект имеет заголовок с информацией, общей для всех объектов, а также данные, специфичные для объекта. Например, в поле заголовка имеется список процессов, открывших данный объект, и информация о защите, определяющая, кто и как может использовать объект.

Счетчик ссылок на объект увеличивается на 1 при открытии объекта и уменьшается на 1 при его закрытии. Значение счетчика ссылок, равное нулю, означает, что объект больше не используется и выделенное ему адресное пространство ядра может быть освобождено. Наличие счетчика означает, что даже после завершения процесса, создавшего объект, этот объект может не быть разрушен (если его счетчик не обнулен).

Квота устанавливает ограничения на объемы ресурсов. Несмотря на то, что в ОС Windows реализован код для отслеживания квот, в настоящее время квоты не применяются и существуют достаточно мягкие ограничения. Например, по умолчанию лимит на открытые объекты для процесса - 230. Множество объектов делится на типы, а у каждого из объектов есть атрибуты, неизменные для объектов данного типа. Ссылка на тип объекта также входит в состав заголовка. Поля имя объекта и каталог будут описаны в разделе "именование объектов".

Методы объекта

В состав компонентов объекта типа входит атрибут методы - указатели на внутренние процедуры для выполнения стандартных операций. Методы вызываются диспетчером объектов при создании и уничтожении объекта, открытии и закрытии описателя объекта, изменении параметров защиты. Система позволяет динамически создавать новые типы объектов. В этом случае предполагается регистрация его методов у диспетчера объектов. Например, метод open вызывается всякий раз, когда создается или открывается объект и создается его новый описатель.

Описатели объектов

Создание новых объектов, или открытие по имени уже существующих, приложение может осуществить при помощи Win32-функций, таких, как CreateFile, CreateSemaphore, OpenSemaphore и т.д. Это библиотечные процедуры, за которыми стоят сервисы Windows и методы объектов. В случае успешного выполнения создается 64-битный описатель в таблице описателей процесса в памяти ядра. На эту таблицу есть ссылка из блока управления процессом EPROCESS (см. "Реализация процессов и потоков" ).

Из 64-х разрядов описателя 29 разрядов используются для ссылки на блок памяти объекта ядра, 3 - для флагов, а оставшиеся 32 - в качестве маски прав доступа. Маска прав доступа формируется на этапе создания или открытия объекта, когда выполняется проверка разрешений. Таким образом, описатель объекта - принадлежность процесса, создавшего этот объект. По умолчанию он не может быть передан другому процессу. Тем не менее, система предоставляет возможность дублирования описателя и передачи его другому процессу специальным образом (см. ниже раздел "Совместное использование объектов" и часть IV "Безопасность").

Рис. 4.3. Объекты и их описатели

Win32-функции, создающие объект, возвращают приложению не сам описатель, а индекс в таблице описателей, то есть малое число: типа 1,2 а не 64-разрядное (см. рис. 4.3). Впоследствии это значение передается одной из функций, которая принимает описатель объекта в качестве аргумента. Одной из таких функций является функция CloseHandle, задача которой - закрыть объект. Во избежание утечки памяти всегда рекомендуется закрывать объект, если в нем отпала надобность. Впрочем, по окончании работы процесса система закрывает все его объекты. Таким образом, структуры объектов ядра доступны только ядру, приложение не может самостоятельно найти эти структуры в памяти и напрямую модифицировать их содержимое.

Именование объектов. Разделяемые ресурсы

Многие объекты в системе имеют имена. Именование объектов удобно для учета объектов и поиска нужного объекта. Кроме того, знание имени объекта может быть использовано процессом для получения к нему доступа (совместное использование ресурсов). Пространство имен объектов по аналогии с пространствами имен реестра и файлов организовано в виде древовидной иерархической системы. В качестве нетерминальной вершины дерева используется объект - "каталог объектов". Каталог включает информацию, необходимую для трансляции имен объектов в указатели на сами объекты. Вследствие необходимости выполнения навигации по каталогам ссылка на объект по имени работает существенно дольше, чем по описателю.

"Увидеть" пространство имен можно только при помощи специальных инструментальных средств, например, с помощью утилиты winobj, входящей в состав MS Platform SDK. Другую версию этой утилиты можно бесплатно получить на сайте http://www.sysinternals.com.

Рис. 4.4. Окно утилиты winobj