Операционная система Microsoft Windows 3.1 для программиста

1.1. Компоненты и подсистемы Windows

Как и любая другая операционная система, Microsoft Windows содержит в себе ядро, подсистему управления оперативной памятью, подсистему управления программами, файловую систему, драйверы для работы с устройствами ввода/вывода и другие системы.

Рассмотрим кратко основные особенности отдельных подсистем Microsoft Windows.

Файловая система

Версия 3.1 операционной системы Microsoft Windows использует файловую систему MS-DOS. И это удобно с точки зрения совместимости с MS-DOS. Вы, наверное, знаете, что Windows запускается из MS-DOS как обычная программа с именем win.com. После запуска Windows не выгружает из памяти MS-DOS, но использует некоторые ее компоненты (например, файловую систему) в несколько измененном виде.

В следующих версиях Windows наряду с файловой системой MS-DOS планируется использовать высокопроизводительную файловую систему NTFS, которая произошла от файловой системы HPFS (High Performance File System), применяемой в операционной системе OS/2. Windows NT уже использует файловую систему NTFS. Новая файловая система имеет меньше ограничений, в частности в ней нет таблицы размещения файлов FAT и сняты практически все ограничения на длину имени файла (максимальная длина имени в OS/2 составляет 255 символов).

Управление программами

Подсистема управления программами в Windows обеспечивает запуск и одновременную работу нескольких программ. Программы, созданные специально для Windows, называются приложениями Windows (Windows application). В среде операционной системы Windows версии 3.1 одновременно может быть запущено несколько приложений Windows и несколько программ, созданных для MS-DOS.

Если Windows работает в расширенном режиме, для каждой программы MS-DOS при запуске создается отдельная виртуальная машина. При выполнении программы MS-DOS процессор работает в режиме виртуального процессора 8086, поэтому все работающие параллельно на разных виртуальных машинах программы MS-DOS изолированы друг от друга.

Если Windows работает в стандартном режиме, запуск программы MS-DOS приводит к приостановке выполнения приложений Windows и выгрузке содержимого оперативной памяти на диск. Процессор переходит в реальный режим работы. Соответствующей настройкой системы запуска программ MS-DOS можно добиться этого и в расширенном режиме работы Windows.

Для всех приложений Windows в расширенном режиме работы создается одна виртуальная машина, причем процессор работает в защищенном режиме. Все приложения Windows используют для адресации памяти одну локальную таблицу дескрипторов LDT, что может привести к взаимному влиянию приложений друг на друга. В этом смысле программы MS-DOS, работающие в среде Windows, лучше защищены друг от друга, чем приложения Windows, так как адресные пространства виртуальных машин MS-DOS изолированы друг от друга (за исключением начала адресного пространства, занятого резидентными программами и драйверами, загруженными до запуска Windows).

Подсистема управления программами не обеспечивает квантования времени между приложениями Windows, но делает это для запущенных одновременно программ MS-DOS. Приложения Windows сделаны таким образом, что они сами "добровольно" отдают друг другу процессорное время, обеспечивая так называемую невытесняющую мультизадачность (nonpreemptive multitasking).

Операционная система Windows NT может выполнять обычные программы MS-DOS, приложения Windows версии 3.1 и новые, 32-разрядные приложения, созданные специально для Windows NT. Для каждого 32-разрядного приложения Windows NT создает отдельную виртуальную машину. Благодаря этому приложения Windows NT изолированы друг от друга. Использование отдельных виртуальных машин позволяет реализовать для 32-разрядных приложений Windows NT вытесняющую мультизадачность (preemptive multitasking) с выделением каждому приложению квантов времени.

Управление оперативной памятью

Если вы помните, подсистема управления оперативной памятью в MS-DOS базируется на использовании блоков управления памятью MCB (см. первый том "Библиотеки системного программиста"). Такое "управление" памятью полностью основано на джентльменском соглашении между программами о сохранении целостности операционной системы, так как любая программа может выполнить запись данных по любому адресу. Программа может легко разрушить системные области MS-DOS или векторную таблицу прерываний.

Приложение Windows выполняется в защищенном режиме, поэтому оно не может адресоваться к любым областям памяти. Это сильно повышает надежность операционной системы в целом - мультизадачная система не должна завершаться аварийно при аварийном завершении одного из приложений.

Пусть вас не смущает, что вы не сможете изменить векторную таблицу прерываний. Во-первых, в защищенном режиме используется не векторная таблица прерываний, а дескрипторная таблица прерываний. Во-вторых, при создании обычных приложений у вас никогда не возникнет необходимость в изменении этой таблицы. В-третьих, если вам и в самом деле нужно изменить дескрипторную таблицу прерываний, мы расскажем, как это можно сделать, не прибегая к непосредственной записи новых значений селекторов в оперативную память, отведенную для таблицы.

Использование защищенного режима работы процессора обеспечивает приложениям Windows непосредственный доступ к расширенной памяти компьютера. С помощью системы управления памятью приложение может заказать для себя буфер очень большого размера. Физически этот буфер может находиться либо в расширенной памяти, либо в виртуальной. Можно также заказать небольшой буфер в стандартной памяти (ниже границы 1 Мбайт).

Виртуальная память располагается на жестком диске компьютера. При первоначальной установке Windows вы должны определить расположение и размер файла, который будет использоваться для виртуальной памяти (только при работе Windows в расширенном режиме). При необходимости Windows выполняет чтение в оперативную память отдельных страниц виртуальной памяти или запись страниц из оперативной памяти на диск. Все это создает иллюзию наличия оперативной памяти очень большого размера. В архитектуру процессора 80386 и 80486 заложена поддержка виртуальной памяти, так что процесс виртуализации выполняется достаточно эффективно.

Другая особенность системы управления памятью в операционной системе Windows связана с управлением сегментами памяти, выделенными приложению.

Как вы знаете, программа MS-DOS в зависимости от используемой модели памяти может состоять из одного или нескольких сегментов кода, а также из одного или нескольких сегментов данных. При загрузке программы MS-DOS все нужные сегменты загружаются в первый мегабайт оперативной памяти, после чего управление передается в точку входа, расположенную в сегменте кода.

Приложение Windows устроено сложнее и загружается по-другому. Как и программы MS-DOS, приложения Windows состоят из сегментов кода и сегментов данных. В зависимости от модели памяти приложение может иметь один или несколько сегментов кода и один или несколько сегментов данных.

Сегменты приложения Windows получают дополнительный атрибут - тип сегмента. Существуют сегменты с фиксированным расположением в оперативной памяти (fixed), перемещаемые (moveable) и удаляемые (discardable). В операционной системе MS-DOS нет аналога перемещаемым и сбрасываемым сегментам, так как при загрузке все сегменты располагаются по фиксированным (на время работы программы) адресам. Перемещаемые сегменты могут менять свое расположение в адресном пространстве. Управляет этим, незаметным для приложений, процессом операционная система Windows.

Для чего понадобились перемещаемые сегменты?

Вспомним, что Windows - многозадачная операционная система. Поэтому такой ресурс, как оперативная память, используется совместно всеми работающими параллельно приложениями или различными копиями одного и того же приложения, запущенного несколько раз. В процессе работы вы запускаете и завершаете различные приложения, что приводит к фрагментации непрерывного адресного пространства. Используя механизм перемещения сегментов, основанный на использовании схемы адресации процессора 80286, операционная система Windows по мере необходимости "уплотняет" оперативную память, высвобождая непрерывное адресное пространство для запуска новых приложений.

Удаляемые (discardable) сегменты обычно используются для хранения выполняемых сегментов или сегментов констант. Если операционной системе Windows требуется получить в свое распоряжение область памяти, она может уничтожить удаляемый сегмент и забрать распределенную для него память. Если впоследствии потребуется восстановить содержимое удаляемого сегмента, Windows выполняет чтение данных сегмента из соответствующего файла.

Помимо описанных выше атрибутов сегменты могут иметь еще два. Можно создать сегменты, загружаемые при запуске приложения (preload) и загружаемые при обращении к ним (loadoncall). Сегменты типа loadoncall не загромождают оперативную память, так как после запуска приложения они остаются на диске и загружаются в память только при необходимости. Причем при составлении программы вам достаточно описать сегмент как loadoncall, после чего Windows будет сама его загружать при обращении к сегменту со стороны приложения.

Механизм управления сегментами достаточно сложен, и пока еще не настало время для его детального рассмотрения. Однако уже сейчас видно, что требование обеспечения разделения адресных пространств приложений и обеспечения мультизадачности привело к значительному усложнению системы управления памятью по сравнению с используемой в MS-DOS.

Драйверы устройств ввода/вывода

Для работы с устройствами ввода/вывода Windows содержит комплект драйверов. Основное требование к этим драйверам заключается в способности работать в мультизадачном режиме, обеспечивая совместное использование устройств ввода/вывода всеми одновременно работающими приложениями.

Необходимо отметить, что задача создания собственного драйвера для Windows значительно сложнее задачи разработки драйвера для MS-DOS. Драйверы Windows - тема для отдельной книги (возможно, не одной). Однако для стандартных устройств, таких, как принтер, мышь, порт последовательной передачи данных и т. п. драйверы уже имеются и поставляются в составе Windows либо в комплекте с устройствами ввода/вывода.

Если же вам необходимо создать драйвер собственного нестандартного устройства, придется приобрести такой программный продукт, как Driver Development Kit (DDK), поставляемый фирмой Microsoft. В состав DDK входит вся необходимая документация, средства разработки и готовые примеры драйверов.

Библиотеки динамической загрузки DLL

Для того чтобы сформировать файл программы MS-DOS (типа exe или com), после компиляции исходных текстов отдельных модулей вы должны запустить редактор связей. Редактор связей соберет файл программы, включив в него все используемые в проекте модули. Фактически файл программы MS-DOS содержит весь код, который может потребоваться для ее выполнения. Единственное исключение - код обработчиков программных прерываний MS-DOS и BIOS, который не включается в файл программы, так как он всегда загружен в оперативную память.

Подобный подход непригоден для мультизадачной среды, так как он приводит к неэкономному расходованию дорогостоящего ресурса - оперативной памяти. В самом деле, если несколько приложений используют один и тот же модуль, нет никакого смысла загружать этот модуль несколько раз для каждого приложения. Вместо этого лучше было бы загрузить такой модуль в оперативную память один раз и организовать к нему коллективный доступ со стороны всех "заинтересованных" приложений.

Именно так и поступили разработчики Windows. Практически все модули Windows реализованы в виде так называемых библиотек динамической загрузки DLL (Dynamic Link Libraries). Когда приложения желают вызвать Windows для получения обслуживания, происходит обращение к единственной копии нужного модуля, находящейся в оперативной памяти (или загружаемой в оперативную память при обращении). Библиотеки динамической загрузки (или, иными словами, dll-библиотеки) находятся на диске в виде файлов с расширением имени dll, хотя может быть использовано и любое другое расширение.

Обратите внимание на приложения Calculator и Clock. Загрузочные файлы для этих приложений имеют размеры 43072 и 16416 байт, что совсем немного (и даже подозрительно мало!), особенно если учесть сложность выполняемых этими приложениями функций. Это возможно только благодаря тому, что большинство кода, выполняемого этими приложениями, находится вне загрузочных файлов. И в самом деле, все, что относится к формированию изображения калькулятора или часов, к перемещению и изменению размеров окон, выполняется модулями, расположенными в библиотеках динамической загрузки Windows.

Вы тоже можете создать свои собственные библиотеки динамической загрузки для использования вашими или другими приложениями.

Использование библиотек динамической загрузки для предоставления сервиса приложениям со стороны операционной системы имеет преимущество, связанное с возможностью обновления версии библиотеки без повторной сборки загрузочного файла приложения. Если ваше приложение использует функции из dll-библиотеки, вы можете обновить версию dll-библиотеки простой заменой старого файла библиотеки на новый. Если новая dll-библиотека совместима со старой (а обычно так и бывает), для ее использования вам не потребуется вносить никаких изменений в загрузочный файл приложения.

Из сказанного выше становится понятно, почему в среде Windows приложения не используют программные прерывания для получения обслуживания от операционной системы: механизм dll-библиотек обеспечивает большую гибкость и удобство в использовании. Так что при создании обычных приложений Windows вы можете забыть о программных прерываниях вообще и о переназначении аппаратных и программных прерываний в частности.

Интерфейс графических устройств GDI

Так как Windows является операционной системой с графическим интерфейсом, одно из важнейших мест в Windows занимает система графического ввода/вывода.

В Windows реализована концепция графического интерфейса, независимого от аппаратной реализации используемого устройства ввода/вывода. Этот интерфейс называется GDI (Graphics Device Interface). В рамках этого интерфейса определены все функции для работы с графикой.

Независимость от аппаратной реализации позволяет вам использовать одни и те же функции для рисования графических объектов (таких, как линии, окружности, прямоугольники и т. д.) как на экране видеомонитора, так и на бумаге, вставленной в матричный или лазерный принтер, в плоттер или другое устройство графического вывода, которое имеет драйвер для Windows.

Очереди сообщений

Иногда говорят, что работа операционной системы Windows основана на передаче сообщений (message). Что это за сообщения, кто, кому и зачем их передает?

Передача сообщений - это способ, при помощи которого в Windows организован обмен информацией между отдельными подсистемами, приложениями или между отдельными модулями одного и того же приложения.

Само по себе сообщение представляет собой структуру данных:

typedef struct tagMSG
{
  HWND   hwnd;
  UINT   message;
  WPARAM wParam;
  LPARAM lParam;
  DWORD  time;
  POINT  pt;
} MSGMSG;

Эта структура содержит уникальный для Windows код сообщения message и другие параметры, отражающие адресат (идентификатор получателя) сообщения hwnd, содержимое сообщения wParam и lParam, время отправления time и информацию о координатах pt.

Windows содержит в себе системную очередь сообщений, куда последние могут поступать от драйверов устройств ввода/вывода (при завершении операции ввода/вывода) или от приложений, а также несколько очередей сообщений для каждого приложения.

Когда вы нажимаете клавиши, перемещаете мышь по поверхности стола или нажимаете кнопки на корпусе мыши, соответствующий драйвер (клавиатуры или мыши) вырабатывает сообщения, отражающие выполняемые вами действия. Эти сообщения попадают вначале в общую системную очередь и затем распределяются в очереди отдельных приложений. Подробности распределения и обработки сообщений мы рассмотрим немного позже.

Если вы обратите внимание на внешний вид приложений Windows, то обнаружите, что окно приложения содержит множество органов управления, таких, как кнопки, переключатели, полосы просмотра и т. д. Работа с этими органами управления подробно описана в руководстве пользователя Windows. Действие, выполненное вами над любым органом управления, приводит к генерации соответствующего сообщения и помещения этого сообщения в очередь приложения.

Приложение Windows постоянно анализирует содержимое своей очереди сообщений. Когда в очереди появляется сообщение от какого-либо органа управления, приложение выполняет соответствующее действие.

Такой механизм значительно упрощает программирование, так как приложение не занимается, например, отслеживанием текущих координат курсора мыши для того, чтобы определить, на какую кнопку вы нажали или какую выбрали строку в меню. Приложение получает готовое сообщение о том, что нажата кнопка с определенным идентификатором или выбрана строка из меню с определенным идентификатором, а вся остальная работа, связанная с отслеживанием текущих координат курсора и определением использованной кнопки, выполняется самой операционной системой Windows. Идентификаторы кнопок и других органов управления определяются программистом. Это просто числа, однозначно соответствующие органам управления.

Обычно приложение имеет главное окно, в котором располагаются такие органы управления, как кнопки, меню, полосы просмотра, переключатели и т. д. Работая с приложением, вы выбираете строки меню, нажимаете кнопки или используете другие органы управления. Каждый орган управления (кнопка или строка меню) имеет свой идентификатор. Когда вы нажимаете на кнопку или выбираете строку меню, в очередь сообщений приложения Windows заносит сообщение, содержащее идентификатор использованного органа управления.

Приложение анализирует очередь сообщений и выполняет обработку сообщений. Например, если вы нажали кнопку с надписью "Exit", приложение может завершить свою работу.

Следует отметить, что в Windows используется многоуровневая система сообщений.

Сообщения низкого уровня вырабатываются, когда вы перемещаете мышь или нажимаете клавиши на корпусе мыши или на клавиатуре. В эти сообщения входит информация о текущих координатах курсора мыши или кодах нажатых клавиш. Обычно приложения редко анализируют сообщения низкого уровня. Все эти сообщения передаются операционной системе Windows, которая на их основе формирует сообщения более высокого уровня.

Когда вы нажимаете кнопку на диалоговой панели или выбираете строку из меню приложения Windows, ваше приложение получает сообщение о том, что нажата та или иная клавиша или выбрана та или иная строка в меню. Вам не надо постоянно анализировать координаты курсора мыши или коды нажимаемых клавиш - Windows сама вырабатывает для вас соответствующее сообщение высокого уровня. Таким образом, вы можете возложить на Windows всю работу, связанную с "привязкой" мыши и клавиатуры к органам управления.

Но тем не менее ваше приложение может вмешаться и в обработку сообщений низкого уровня. Такая схема очень удобна и позволяет, с одной стороны, упростить приложение, возложив на Windows всю работу с сообщениями нижнего уровня, с другой стороны, позволяет при необходимости вмешаться в процесс обработки сообщений низкого уровня.

Программы MS-DOS в "классическом" исполнении работают по другому. Как правило, такие программы выполняются линейно, ожидая от пользователя ввода той или иной команды и блокируя нежелательные на данный момент действия.

Логика работы приложений Windows называется логикой, управляемой событиями. Под событием понимается обнаружение в очереди сообщений приложения того или иного сообщения. В любой момент времени вам разрешается использовать любые органы управления любого запущенного приложения (хотя приложение Windows при необходимости может выполнить блокировку отдельных органов управления).

Операционная система Windows направляет сообщение от использованного органа управления в очередь того приложения, к которому принадлежит данный орган управления. Поэтому приложение не должно беспокоиться о том, что в любой момент времени вы можете приступить к работе с другим приложением. Просто каждое приложение занимается обработкой своей очереди сообщений, а Windows заботится о том, чтобы все сообщения попадали в нужную очередь.

Так как все приложения используют совместно общий экран видеомонитора, работая каждое в своем окне, Windows обеспечивает обработку ситуаций, при которых одно окно перекрывает другое. Приложения не следят за тем, чтобы их окна не перекрывались окнами других приложений. Но они все должны быть способны обработать специальное сообщение, по которому необходимо перерисовать содержимое всего своего окна или части окна.

Управление шрифтами

Операционная система MS-DOS не содержит никакой серьезной поддержки для работы со шрифтами. В то же время Windows версии 3.1 использует передовую технологию масштабируемых шрифтов TrueType. Из руководства пользователя Windows вы знаете, что шрифты TrueType сохраняют свой внешний вид при изменении высоты букв. Поэтому они и называются масштабируемыми.

Любое приложение Windows может использовать шрифты, зарегистрированные (или, иными словами, установленные) в операционной системе Windows. Для работы со шрифтами Windows предоставляет приложениям богатый набор функций, позволяющий выполнять все необходимые операции.

Система управления шрифтами, встроенная в Windows, позволяет реализовать на практике режим редактирования документов, который носит название WYSIWYG - What You See Is What You Get (что вы видите, то и получите). Например, если вы используете для редактирования документов такой текстовый процессор, как Microsoft Word for Windows, вы можете выбрать для оформления любой из масштабируемых шрифтов. Система управления шрифтами обеспечит соответствие изображения текста на экране распечатке, полученной на принтере (особенно хорошие результаты получатся при использовании видеомонитора с высоким разрешением, а также струйного или лазерного принтера).

Ресурсы

Как мы говорили, приложения Windows используют новый формат файла загрузочного модуля. Одно из новшеств заключается в том, что файл загрузочного модуля кроме кода и обычных данных содержит так называемые ресурсы. В качестве ресурсов используются текстовые строки, пиктограммы, графические изображения, меню, диалоговые панели, шрифты или любые произвольные данные.

Для создания ресурсов используются специальные программы, которые называются редакторами ресурсов. Такие программы поставляются в комплекте с компилятором. Они позволяют редактировать ресурсы без изменения кода, и в этом смысле можно говорить об относительной независимости ресурсов от программного кода приложения.

Приложение Windows при необходимости может загрузить ресурс в оперативную память и использовать его, например, для вывода на экран.

В качестве ресурса удобно оформить, например, все текстовые сообщения или меню. В этом случае вы сможете редактировать текст сообщений или строк меню без повторной сборки всего приложения. Это удобно, если вам нужно перевести все сообщения или меню на другой язык (например, с русского на английский или наоборот).

Включение в ресурсы пиктограмм и других графических изображений позволит вам редактировать их отдельно, без повторной сборки приложения.

Ресурсы могут загружаться в оперативную память сразу после запуска приложения или при необходимости. В последнем случае после запуска приложения ресурсы хранятся на диске. Если ресурсы не используются, то они не занимают места в оперативной памяти.

Динамический обмен данными DDE

Любая мультизадачная операционная система содержит систему, обеспечивающую взаимодействие работающих параллельно процессов. Операционная система Windows имеет механизм динамического обмена данными DDE, с помощью которого приложения Windows могут обмениваться различной информацией, такой, как текстовые строки, числа или блоки оперативной памяти.

Сетевая операционная система Microsoft Windows for Workgroups использует DDE для организации взаимодействия и передачи данных между приложениями, работающими в сети на разных рабочих станциях.

Вставка и привязка объектов OLE

Операционная система Windows содержит сложный механизм вставки и привязки объектов OLE (Object Linking and Embedding), обеспечивающий интеграцию приложений на уровне объектов, таких, как документы, графические изображения или электронные таблицы.

При использовании OLE документ, подготовленный, например, текстовым процессором Microsoft Word for Windows, может содержать в себе как объект изображение, созданное графическим редактором Paint Brush. Для редактирования такого объекта из среды текстового процессора Microsoft Word for Windows вызывается приложение Paint Brush, причем результат редактирования записывается обратно в тело документа.

Другие компоненты и подсистемы

Кроме перечисленных выше, операционная система Windows содержит другие компоненты и подсистемы. Некоторые из них входят в комплект Windows версии 3.1, некоторые нужно приобретать отдельно.

В последнее время получают все более широкое распространение системы мультимедиа, обеспечивающие звуковой интерфейс между человеком и компьютером. Самые лучшие из таких систем способны (при наличии соответствующей аппаратуры) работать не только со звуком, но и с видеосигналом, поступающим с телевизионной камеры или видеомагнитофона.

С точки зрения программиста системы мультимедиа реализованы в виде dll-библиотек, содержащих наборы функций для работы с устройствами ввода/вывода звука и изображения.

Другая подсистема, устанавливаемая дополнительно, имеет отношение к управлению памятью и называется Win32s. Это подмножество 32-разрядного программного интерфейса операционной системы Windows NT, использующее сплошную несегментированную модель памяти. В этой модели памяти приложения обычно никогда не изменяют содержимого сегментных регистров процессора, так как они могут непосредственно адресовать огромные объемы виртуальной оперативной памяти.

Эта подсистема имеет и другие интересные возможности, например отображение файлов на оперативную память, что значительно ускоряет и упрощает работу с ними.

Система Win32s поставляется фирмой Microsoft отдельно вместе с соответствующими средствами разработки, а также входит в комплект поставки трансляторов Borland C++ версии 4.0 и Symantec C++ версии 6.0.