2.Внутреннее устройство Windows (гл. 5-7)

Повреждение куста System

• Симптомы Если куст реестра System (сведения об этом кусте см. в разделе «Реестр» главы 4) отсутствует или поврежден, NTLDR выводит на черном экране после BIOS POST сообщение «Windows could not start because the following file is missing or corrupt: \WINDOWS\SYSTEM32\CONFIG\SYSTEM» (Windows не удалось запустить из-за отсутствия или повреждения следующего файла: \WINDOWS\SYSTEM32\CONFIG\SYSTEM).

• Причины Куст реестра System, который содержит конфигурационную информацию, необходимую для загрузки системы, поврежден или удален.

• Решение Загрузите консоль восстановления и запустите команду cbkdsk применительно к загрузочному тому, чтобы исправить любые возможные его повреждения. Если это не решило проблему, возьмите резервную копию куста System. Если вы делали резервные ASR-копии системы или использовали утилиту Windows Backup для создания резервных копий состояния системы (это один из вариантов, предлагаемых в ее UI), то скопируйте кусты реестра из самой последней резервной копии, которые хранятся в каталоге \Windows\Repair, в частности скопируйте файл System в \Windows\System32\Config.

Если вы используете Windows XP и средство System Restore (Восстановление системы) включено (о System Restore см. в главе 12), то можете получить резервные копии кустов реестра, в том числе System, из самой последней точки восстановления. Однако не исключено, что консоль восстановления не позволит вам обратиться к каталогу, где хранятся точки восстановления, — \System Volume Information. Версия консоли восстановления из Windows XP Service Pack 1 разрешает доступ к этому каталогу, а более старые версии — нет (если только это не разрешено локальной политикой безопасности). Чтобы обойти это ограничение, используйте Local Security Policy Editor (Редактор локальной политики безопасности) для изменения параметров консоли восстановления, как уже пояснялось ранее. Вы также можете применить сторонние утилиты для доступа к другим каталогам. Получив доступ к каталогу точек восстановления, выполните следующие операции, чтобы получить файлы кустов реестра.

1. Перейдите в каталоге \System Volume Information на загрузочном томе в подкаталог, имя которого начинается с «_restore».

2. Найдите подкаталог RP с самым большим числом (например, RP173).

3. Скопируйте файл с именем _REGISTRY_MACHINE_SYSTEM в файл \Windows\System32\Config\System.

4. Перезагрузите систему.

Другой вариант — попробовать исправить повреждение с помощью утилиты Microsoft ChkReg. Она пытается делать это автоматически и запускается с дискет, подготовленных в программе установки Windows XP Setup.

Если у вас нет резервных копий, нет доступа к точкам восстановления и утилита ChkReg не помогла, используйте копию куста System из \Windows \Repair как последнее средство. Windows Setup делает копию куста System по окончании установки, поэтому вы потеряете все изменения в конфигурации системы и драйверов устройств, произошедшие с того момента.

Крах или зависание после вывода экрана-заставки

• Симптомы K этой категории относятся проблемы, которые возникают после отображения экрана-заставки Windows, вывода рабочего стола или входа в систему. Они могут проявляться как крах с отображением синего экрана или зависание, при котором замораживается вся система (либо сохраняется возможность перемещать по экрану курсор мыши, но система ни на что не реагирует).

• Причины Эти проблемы почти всегда являются следствием ошибки в драйвере устройства, но иногда могут быть результатом повреждения куста реестра, отличного от System.

• Решение Вы можете попытаться устранить такую проблему. Первое, что стоит попробовать, — последнюю удачную конфигурацию (last known good, LKG), о которой уже рассказывалось в этой главе и в разделе «Сервисы» главы 4. Она состоит из набора управления реестром (registry control set), с помощью которого в последний раз удалось успешно загрузить систему. Поскольку этот набор включает базовую системную конфигурацию и регистрационную базу данных драйверов устройств и сервисов, он не отражает самые последние изменения в составе драйверов устройств или сервисов, что часто помогает обойти источник проблемы. Для доступа к последней удачной конфигурации нажмите клавишу F8 на самой ранней стадии процесса загрузки и в появившемся загрузочном меню выберите этот вариант.

Как уже говорилось в этой главе, когда вы загружаете LKG, система сохраняет набор управления, от которого вы тем самым отказываетесь, и помечает его как неудачный. Если LKG позволит сделать систему загружаемой, вы сможете экспортировать содержимое текущего и неудачного наборов управления в. reg-файлы и, сравнив их, определить, что стало причиной неудачной загрузки системы. Для этого используйте поддержку экспорта в Regedit, доступную в меню FiIe (Файл) [или Registry (Реестр), если вы работаете с Windows 2000].

1. Запустите Regedit и выберите HKLM\System\CurrentControlSet.

2. Выберите Export (Экспорт) из меню FiIe (Файл) и сохраните содержимое в файл с именем good.reg.

3. Откройте HKLM\System\Select, посмотрите значение параметра Failed и выберите подраздел HKLM\System\ControlXXX, где XXX — значение параметра Failed.

4. Экспортируйте содержимое этого набора управления в файл bad.reg.

5. Используйте Wordpad для глобальной замены всех вхождений «CurrentControlSet» в good.reg на «ControlSet».

6. C помощью Wordpad замените все вхождения «ControlXXX» (вместо XXX должно быть значение параметра Failed) в bad.reg на «ControlSet».

7. Запустите Windiff из Support Tools и сравните два файла.

Различия между неудачным и удачным наборами управления могут быть весьма значительными, поэтому вы должны сосредоточиться на изменениях в подразделе Control, а также в подразделах Parameters каждого драйвера и сервиса, зарегистрированного в подразделе Services. Различия в подразделах Enum разделов для драйверов в ветви Services набора управления игнорируйте.

Если проблема вызвана драйвером или сервисом, который присутствовал в системе до последней успешной загрузки, LKG не сделает систему загружаемой. LKG не поможет и в том случае, если изменившийся проблематичный параметр конфигурации находится вне набора управления или если он был изменен до последней успешной загрузки. B таких случаях следующий шаг — попробовать загрузиться в безопасном режиме (о нем уже рассказывалось в этом разделе). Если система успешно загружается в безопасном режиме и вам известно, какой драйвер привел к провалу нормальной загрузки, вы можете отключить его через диспетчер устройств, доступный с вкладки Hardware (Оборудование) апплета System (Система). Для этого укажите проблемный драйвер и выберите Disable (Отключить) из меню Action (Действие). Если вы используете Windows XP или Windows Server 2003, недавно обновили драйвер и считаете, что в обновленной версии есть какая-то ошибка, то можете выбрать откат драйвера к его предыдущей версии, что также делается в диспетчере устройств. Чтобы восстановить предыдущую версию драйвера, дважды щелкните нужный драйвер для открытия его окна свойств и нажмите кнопку Roll Back Driver (Откатить) на вкладке Drivers (Драйвер).

B Windows XP при включенном System Restore предлагается вариант отката состояния всей системы к предыдущей точке (определенной средством System Restore), когда LKG ничего не дала. Безопасный режим распознает наличие точек восстановления и, если они есть, спрашивает, что вы хотите — войти в систему и вручную выполнить диагностику и исправление или запустить мастер восстановления системы. Попытка сделать систему загружаемой с помощью System Restore — хороший вариант, когда вы знаете причину проблемы и хотите автоматически ее устранить или когда причина вам не известна, но вы не желаете тратить время на ее поиск.

Если System Restore вас не устраивает или если вам нужно определить причину краха при нормальной загрузке, когда в безопасном режиме система успешно загружается, то попробуйте вести журнал в ходе неудачной загрузки. Для этого выберите соответствующий вариант в загрузочном меню, которое открывается нажатием клавиши F8 на самой ранней стадии загрузки. Какуже говорилось в этой главе, диспетчер сеансов (\Windows\System32\Smss.exe) сохраняет журнал загрузки в \Windows\ntbtlog.txt; в нем отмечаются как загруженные, так и незагруженные системой драйверы устройств, поэтому вы получите такой журнал, только если крах или зависание происходит после инициализации диспетчера сеансов. После перезагрузки в безопасный режим система добавит в существующий журнал загрузки новые записи. Отделите части журнала, относящиеся к неудачной попытке загрузки и к загрузке в безопасный режим, и сохраните их в разных файлах. Удалите строки с текстом «Did not load driver», а затем сравните эти файлы с помощью утилиты наподобие Windiff. Поочередно отключайте драйверы, загружавшиеся при нормальной загрузке, но не в безопасном режиме, пока система вновь не будет загружаться в нормальном режиме. (После чего вновь включите драйверы, не связанные с проблемой.)

Если вам не удается получить журнал при нормальной загрузке (например, из-за того, что крах системы происходит до инициализации диспетчера сеансов), если система рушится и при загрузке в безопасном режиме или если при сравнении двух частей журнала не обнаруживается значимых различий, то остается лишь прибегнуть к утилите Driver Verifier в сочетании с анализом аварийного дампа. (Более подробные сведения по этой тематике см. в главе 14.)

Завершение работы системы

Если в систему кто-то вошел и некий процесс инициирует завершение работы системы, вызывая Windows-функцию ExitWindowsEx, Csrss получает сообщение о необходимости завершения системы. Тогда Csrss в интересах инициатора завершения системы посылает скрытому окну, которое принадлежит Winlogon, Windows-сообщение с требованием завершить работу системы. Winlogon, олицетворяющий зарегистрированного в данный момент пользователя (чей контекст защиты может совпадать, а может и не совпадать с контекстом защиты пользователя процесса, инициировавшего завершение работы), вызывает ExitWindowsEx с набором специальных внутренних флагов. B результате Csrss получает еще одно сообщение с запросом на завершение системы.

Ha этот раз Csrss видит, что запрос поступил от Winlogon, и перебирает все процессы в сеансе интерактивного пользователя (а не того, кто инициировал завершение системы). Вызвав SetProcessShutdownParameters, процесс может указать уровень завершения (shutdown level), который сообщает системе, когда этому процессу нужно завершиться по отношению к другим процессам. Допустимые уровни укладываются в диапазон 0-1023 (по умолчанию — 640). Explorer, например, устанавливает свой уровень в 2, a Task Manager — в 1.Для каждого процесса, владеющего окном верхнего уровня, Csrss посылает сообщения WM_QUERYENDSESSION всем его потокам с циклом выборки Windows-сообщений. Если поток возвращает TRUE, процесс завершения работы системы продолжается. Тогда Csrss посылает потоку сообщение WM_ENDSESSION с требованием завершить свою работу. Csrss ждет завершения потока в течение времени, указанного в HKCU\Control Panel\ Desktop\HungAppTimeout (по умолчанию — 5000 мс).

Если в течение указанного времени поток не завершается, Csrss открывает диалоговое окно, показанное на рис. 5–5. (Вывод этого окна можно отключить, присвоив параметру HKCU\Control Panel\Desktop\AutoEndTasks значение, равное 1.) Диалоговое окно уведомляет пользователя о том, что корректное завершение данной программы невозможно, и предлагает принудительно завершить процесс или отменить завершение работы системы (тайм-аут для этого диалогового окна не предусмотрен, а значит, на этом этапе запрос на завершение может ждать бесконечно долго).

Рис. 5–5. Диалоговое окно для принудительного закрытия программы

Если поток успевает завершиться до истечения указанного времени, Csrss посылает пары сообщений WM_QUERYENDSESSION, WM_ENDSESSION другим потокам процесса с окнами верхнего уровня. Как только все его потоки завершаются, Csrss завершает выполнение этого процесса и переходит к следующему процессу в интерактивном сеансе.

ЭКСПЕРИМЕНТ: проверка HungAppTimeout

Вы можете проверить, как используется параметр реестра HungAppTimeout, запустив Notepad, введя в него какой-нибудь текст и выйдя из системы. По истечении времени, заданного в HungAppTimeout, Csrss.exe откроет диалоговое окно с запросом о том, хотите ли вы закрыть процесс Notepad, который еще не завершился. Notepad ждет, когда вы сообщите ему, надо ли сохранить введенный вами текст. Если вы нажмете Cancel в этом диалоговом окне, Csrss.exe отменит завершение работы системы.

Обнаружив консольное приложение, Csrss вызывает обработчик консоли, посылая событие CTRLLOGOFFEVENT (при завершении работы системы только процессы сервисов получают события CTRL_SHUTDOWN_ EVENT). Если обработчик возвращает FALSE, Csrss уничтожает процесс. Если обработчик возвращает TRUE или не отвечает в течение времени, указанного в HKCU\Control Panel\Desktop\WaitToKillAppTimeout (по умолчанию — 20000 мс), Csrss выводит диалоговое окно, показанное на рис. 5–5.

Далее Winlogon вызывает функцию ExitWindowsEx, чтобы Csrss завершил любые СОМ-процессы, являющиеся частью сеанса интерактивного пользователя.

K этому моменту выполнение всех процессов в сеансе уже завершено. Winlogon снова вызывает функцию ExitWindowsEx, на этот раз в контексте системного процесса, и та посылает Csrss сообщение. Csrss просматривает все процессы, принадлежащие контексту системы и рассылает сообщения WM_QUERYENDSESSION/WM_ENDSESSION всем GUI-потокам. Ho консольным приложениям с зарегистрированными обработчиками Csrss посылает не CTRL_LOGOFF_EVENT, a CTRL_SHUTDOWN_EVENT. Заметьте, что SCM является консольной программой, которой регистрируется свой обработчик. Получив запрос на завершение, SCM рассылает соответствующие сообщения всем сервисам, которые зарегистрированы на уведомление о завершении работы. Подробнее о завершении работы сервисов (в том числе о таймауте для SCM) см. раздел «Сервисы» главы 4.

Хотя при завершении системных процессов действуют те же таймауты, что и для пользовательских процессов, Csrss не выводит никаких диалоговых окон и не завершает их принудительно. (Значения таймаутов завершения системных процессов берутся из профиля пользователя по умолчанию.) Смысл этих таймаутов только в том, чтобы системные процессы корректно завершились до выключения системы. Ho многие системные процессы вроде Smss, Winlogon, SCM и LSASS на самом деле еще выполняются при выключении системы.

Как только Csrss заканчивает рассылку уведомлений системным процессам о завершении работы, Winlogon вызывает функцию исполнительной системы NtShutdownSystem. Она в свою очередь вызывает функцию NtSet-SystemPowerState, управляющую завершением драйверов и остальных компонентов исполнительной системы (диспетчеров Plug and Play, электропитания, ввода-вывода, конфигурации и памяти).

Например, NtSetSystemPowerState вызывает диспетчер ввода-вывода для рассылки пакетов завершения ввода-вывода всем драйверам устройств, запросившим уведомление о завершении системы. Это позволяет драйверам подготовить свои устройства к завершению работы Windows. Диспетчер конфигурации сбрасывает на диск все измененные данные реестра, а диспетчер памяти записывает все измененные страницы с файловыми данными обратно в соответствующие файлы. Диспетчер памяти производит очистку страничного файла (если это указано в настройках). Далее вновь вызывается диспетчер ввода-вывода, который информирует драйверы файловой системы о завершении Windows. Процесс завершения работы заканчивается на диспетчере электропитания, дальнейшие действия которого зависят от пользовательских настроек (выключение компьютера, перезагрузка или переход в ждущий режим).

Резюме

B этой главе мы подробно исследовали процессы загрузки и завершения работы Windows в нормальном режиме и при возникновении сбоев. K этому моменту мы уже рассмотрели общую структуру Windows и базовые системные механизмы, обеспечивающие запуск, работу и в конечном счете выключение системы. Заложив такой фундамент, можно переходить к более подробному изучению отдельных компонентов исполнительной системы, начиная с процессов и потоков.

ГЛABA 6 Процессы, потоки и задания

B этой главе мы рассмотрим структуры данных и алгоритмы, связанные с процессами, потоками и заданиями в Microsoft Windows. B первом разделе основное внимание уделяется внутренним структурам данных, из которых состоит процесс. Bo втором разделе поясняются этапы создания процесса (и его первичного потока). Далее поясняются внутреннее устройство потоков и их планирование. Завершается глава описанием объекта «задание» Job object).

B процессе изложения материала мы будем упоминать соответствующие счетчики производительности или переменные ядра. Хотя программирование под Windows не является предметом этой книги, в ней перечисляются Windows-функции, связанные с процессами, потоками и заданиями, — это даст вам представление о том, как они используются.

Внутреннее устройство процессов

B этом разделе описываются ключевые структуры данных процессов Windows. Также поясняются основные переменные ядра, счетчики производительности, функции и утилиты, имеющие отношение к процессам.

Структуры данных

Каждый процесс в Windows представлен блоком процесса, создаваемым исполнительной системой (EPROCESS). Кроме многочисленных атрибутов, относящихся к процессу, в блоке EPROCESS содержатся указатели на некоторые структуры данных. Так, у каждого процесса есть один или более потоков, представляемых блоками потоков исполнительной системы (ETH-READ) (см. раздел «Внутреннее устройство потоков» далее в этой главе). Блок EPROCESS и связанные с ним структуры данных — за исключением блока переменных окружения процесса Oprocess environment block, PEB) — существуют в системном пространстве. PEB находится в адресном пространстве процесса, так как содержит данные, модифицируемые кодом пользовательского режима.

Для каждого процесса, выполняющего Windows-программу, процесс подсистемы Windows (Csrss) поддерживает в дополнение к блоку EPROCESS параллельную структуру данных. Кроме того, часть подсистемы Windows, работающая в режиме ядра (Win32k.sys), поддерживает структуру данных для каждого процесса, которая создается при первом вызове потоком любой функции USER или GDI, реализованной в режиме ядра.

Ha рис. 6–1 показана упрощенная схема структур данных процесса и потока. Каждая из этих структур детально рассматривается далее в этой главе.

Рис. 6–1. Структуры данных, сопоставляемые с процессами и потоками

Сначала рассмотрим блок процесса. (Изучение блока потока мы отложим до раздела «Внутреннее устройство потоков».) Ключевые поля EPROCESS показаны на рис. 6–2.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем формат блока EPROCESS

Список полей, составляющих блок EPROCESS, и их смещения в шестнадцатеричной форме, можно увидеть с помощью команды dt eprocess отладчика ядра (подробнее об отладчике ядра см. главу 1). Вот что дает эта команда (вывод обрезан для экономии места):

Заметьте, что первое поле (Pcb) на самом деле является подструктурой — блоком процесса, принадлежащим ядру (KPROCESS). Именно здесь хранится информация, используемая при планировании. Для вывода формата блока процесса KPROCESS введите dt_kprocess:

Другой способ просмотра KPROCESS (и прочих подструктур в EPROCESS) — использовать ключ рекурсии (-r) в команде dt. Например, введя dt _eprocess — r1, вы увидите все подструктуры с глубиной вложения, равной 1.

Команда dt показывает формат блока процесса, но не его содержимое. Чтобы вывести экземпляр самого процесса, можно указать адрес структуры EPROCESS в качестве аргумента команды dt. Команда !process 0 0 позволяет получить адрес всех блоков EPROCESS в системе. Пример вывода этой команды будет приведен далее в этой главе.

Некоторые поля, показанные в предыдущем эксперименте, поясняются в таблице 6–1. Процессы и потоки — неотъемлемая часть Windows, о которой нельзя рассказать, не упомянув множество других компонентов системы. Ho, чтобы эта глава не слишком разбухла, мы поясняем механизмы, связанные с процессами и потоками (вроде управления памятью, защиты, объектов и описателей), в других главах.

Таблица 6–1. Содержимое блока EPROCESS

Блок KPROCESS, входящий в блок EPROCESS, и РЕВ, на который указывает EPROCESS, содержат дополнительные сведения об объекте «процесс». Блок KPROCESS, иногда называемый блоком управления процессом Oprocess control block, PCB), показан на рис. 6–3. Он содержит базовую информацию, нужную ядру Windows для планирования потоков. (O каталогах страниц см. главу 7.)

РЕВ, размещаемый в адресном пространстве пользовательского процесса, содержит информацию, необходимую загрузчику образов, диспетчеру кучи и другим системным DLL-модулям Windows для доступа из пользовательского режима. (Блоки EPROCESS и KPROCESS доступны только из режима ядра.) Базовая структура РЕВ, показанная на рис. 6–4, подробнее объясняется далее в этой главе.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем PEB

Дамп структуры PEB можно получить с помощью команды !peb отладчика ядра. Чтобы узнать адрес РЕВ, используйте команду !process так:

Переменные ядра

B таблице 6–2 перечислено несколько важнейших глобальных переменных ядра, связанных с процессами. Ha эти переменные мы будем ссылаться по ходу изложения материала, в частности при описании этапов создания процесса.

Таблица 6–2. Переменные ядра, связанные с процессами