基于ＷＲＫ的Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

文章編號：1672-5913(2008)20-0038-03

摘 要：本文介紹了我院根據(jù)WRK軟件對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和方式所做的改進(jìn)，并介紹了我院設(shè)計(jì)的一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)踐證明可提高教學(xué)效果與質(zhì)量，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性、能動性以及動手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)原理；WRK；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言

我國的本科生操作系統(tǒng)教學(xué)中通常包括兩個部分，一個是介紹操作系統(tǒng)原理的課程教學(xué)，另一個是課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在課程教學(xué)中通常講解操作系統(tǒng)的基本概念和原理，并通過Microsoft Windows、UNIX或者Linux作為操作系統(tǒng)的示例。

操作系統(tǒng)原理中包含了很多的概念，如線程、虛擬內(nèi)存、硬件抽象等等。在教學(xué)中，能夠提供一個展示真實(shí)操作系統(tǒng)工作方式的環(huán)境是很重要的。但目前普遍使用的教學(xué)平臺大多是非真實(shí)的、模擬的環(huán)境，無法將操作系統(tǒng)的概念付諸實(shí)際，這樣就導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，獲得的只是一些空洞的知識，對操作系統(tǒng)的理解也出現(xiàn)偏差。同時，與UNIX和Linux不同，對于廣泛使用的Microsoft Windows操作系統(tǒng)，其源代碼和一些內(nèi)核技術(shù)并沒有公開，一直以來無法在教學(xué)中讓學(xué)生了解更多有關(guān)微軟操作系統(tǒng)的內(nèi)核技術(shù)和實(shí)現(xiàn)。

在基于Windows的操作系統(tǒng)原理教學(xué)中，我們采用WRK作為操作系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐平臺。WRK的全稱是“Windows Research Kernel”，它不是一個商業(yè)產(chǎn)品，而是微軟為高校操作系統(tǒng)課程提供的可修改和跟蹤的操作系統(tǒng)教學(xué)平臺，是微軟公司將Windows Kernel的核心技術(shù)融入到高校的教學(xué)和科研中的產(chǎn)物。它給出了Windows這個成功的商業(yè)操作系統(tǒng)的大部分內(nèi)核代碼，可以對其進(jìn)行修改、編譯，并且可以用這個內(nèi)核啟動Windows操作系統(tǒng)，可讓學(xué)生將操作系統(tǒng)基本原理和商業(yè)操作系統(tǒng)內(nèi)核聯(lián)系起來，進(jìn)一步加深對操作系統(tǒng)整體的理解。

本文基于WRK軟件以及隨軟件配備的WinDbg調(diào)試工具對現(xiàn)有操作系統(tǒng)原理本科生教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容來提高Windows操作系統(tǒng)原理教學(xué)的效果，同時大大提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性、能動性以及動手實(shí)踐能力。

2 WRK的特點(diǎn)

2.1 可運(yùn)行在真實(shí)的硬件平臺

WRK是建立在真實(shí)的NT內(nèi)核基礎(chǔ)上的，實(shí)現(xiàn)了線程調(diào)度、內(nèi)存管理、I/O管理、文件系統(tǒng)等操作系統(tǒng)所必需的組成部分，可以將編譯出的內(nèi)核放到裝有Windows 2003的機(jī)器上，通過增加啟動項(xiàng)，指定從WRK內(nèi)核啟動。通過修改編譯時的選項(xiàng)，可以支持X86和AMD64兩種架構(gòu)。

當(dāng)然，我們也可以使用虛擬機(jī)運(yùn)行WRK?？梢苑乐剐薷倪^的代碼對真實(shí)的硬件和文件系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響；也可以方便地通過串口進(jìn)行調(diào)試。

2.2 包含操作系統(tǒng)中很多概念的具體實(shí)現(xiàn)

WRK中將Windows的大部分內(nèi)核實(shí)現(xiàn)都展示出來，包括CPU、內(nèi)存管理、進(jìn)程和線程調(diào)度等機(jī)制。

2.3 調(diào)試比較方便，隨機(jī)性使體驗(yàn)更加真實(shí)

一般來說，操作系統(tǒng)內(nèi)核的調(diào)試需要兩臺計(jì)算機(jī)。一臺作為宿主機(jī)，運(yùn)行需要調(diào)試的內(nèi)核；另一臺作為調(diào)試機(jī)，運(yùn)行調(diào)試程序。兩臺機(jī)器通過串口進(jìn)行連接，傳送調(diào)試指令和調(diào)試數(shù)據(jù)。

因?yàn)閃RK可以運(yùn)行在虛擬機(jī)上，我們可以通過一個命名管道連接虛擬機(jī)和物理機(jī)。將虛擬機(jī)作為宿主機(jī)，而物理機(jī)器作為調(diào)試機(jī)來進(jìn)行調(diào)試。

不確定性是操作系統(tǒng)所必須具有的特征。WRK運(yùn)行在真實(shí)的硬件平臺上，各種硬件中斷的隨機(jī)性和不確定性賦予了WRK天生的不確定性。當(dāng)然，這個不確定性對于我們也是具有兩面性的，一方面展示的真實(shí)操作系統(tǒng)的特征；另一方面，對于我們內(nèi)核的調(diào)試也具有不確定性。

圖1展示了WRK軟件運(yùn)行的截圖示例。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

整體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程由教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)兩部分完成。在教學(xué)中教師與學(xué)生互動共同實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。主要工作內(nèi)容如圖2所示。

首先，由教師完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)材料，并且設(shè)計(jì)對各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評測的方法。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案分析內(nèi)核源代碼并修改相關(guān)內(nèi)容，通過設(shè)計(jì)好的測試方法測試運(yùn)行結(jié)果，評估修改算法。

教師的工作重點(diǎn)可以歸納為以下幾個方面的內(nèi)容。

3.1 編寫有關(guān)Windows核心分析的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)材料

基于WRK以及微軟提供的課程材料，例如CRK、TRK，在Windows操作系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)中加強(qiáng)操作系統(tǒng)內(nèi)核分析并編寫相應(yīng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)材料。

3.2 指導(dǎo)學(xué)生建設(shè)有關(guān)Windows內(nèi)核分析的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置包括以下工作：

●準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)軟件，包括Windows Server 2003、Visual Studio 2007、Windows Research Kernel、Virtual PC以及WinDbg工具；

●編寫用于實(shí)驗(yàn)測試的程序；

●安裝實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境、Windows Server 2003虛擬機(jī)系統(tǒng)；

●配置網(wǎng)絡(luò)；

●在WinXP操作系統(tǒng)中編譯WRK；

●在Windows Server 2003虛擬機(jī)中使用WRK內(nèi)核；

●建立WRK的Debug環(huán)境。

3.3 指導(dǎo)學(xué)生使用WRK分析Windows內(nèi)核

在WRK正式在高校中公開使用之前，已在北大、南開等六個高校中開展教學(xué)研究，并開發(fā)了四個典型實(shí)驗(yàn)示例，打包為教學(xué)資源工具集TRK。基于WRK教學(xué)工具和這些實(shí)驗(yàn)示例，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中分析一些Windows操作系統(tǒng)源代碼，加深對其運(yùn)行機(jī)制的理解。學(xué)生必須在熟悉WRK的基礎(chǔ)上實(shí)踐已有的實(shí)驗(yàn)示例。

3.4 導(dǎo)學(xué)生對Windows內(nèi)核進(jìn)一步的學(xué)習(xí)

為了加強(qiáng)課程相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)效果，需要調(diào)動學(xué)生在實(shí)踐了已有的實(shí)驗(yàn)示例之后，繼續(xù)實(shí)踐新的實(shí)驗(yàn)，包括通過操作系統(tǒng)經(jīng)典問題程序在WRK中的運(yùn)行狀態(tài)跟蹤、動手修改Windows內(nèi)核某些代碼并測試運(yùn)行結(jié)果。這一階段的練習(xí)可以大大提高教學(xué)效果并鍛煉學(xué)生動手實(shí)踐能力。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)踐TRK實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)一：分析進(jìn)程和線程結(jié)構(gòu)

每個Windows進(jìn)程通過進(jìn)程模塊EPROCESS運(yùn)行，該模塊包含和指向一些其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如每個進(jìn)程又有一個或者多個運(yùn)行的線程模塊ETHREAD。

本實(shí)驗(yàn)首先深入了解進(jìn)程和線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后分析Windows操作系統(tǒng)的進(jìn)程和線程管理。

實(shí)驗(yàn)二：進(jìn)程管理

在WRK平臺中，進(jìn)程管理是很復(fù)雜的，但是本質(zhì)上依然是進(jìn)程三種基本狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：運(yùn)行態(tài)、阻塞態(tài)和就緒態(tài)。運(yùn)行態(tài)正在占用CPU運(yùn)行程序；阻塞態(tài)等待外部事件發(fā)生，無法占用CPU；就緒態(tài)進(jìn)程可運(yùn)行，但其他進(jìn)程正在占用CPU，所以被暫時掛起。

這個實(shí)驗(yàn)中將會根據(jù)一些主題和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改變內(nèi)核代碼，以便掌握有關(guān)進(jìn)程/線程管理的內(nèi)核代碼知識。學(xué)生需要通過這個實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)進(jìn)程和線程的調(diào)試技術(shù)和知識。

實(shí)驗(yàn)三：進(jìn)程間同步/互斥問題

在本實(shí)踐項(xiàng)目中，首先對“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”算法和“讀者-寫者”算法進(jìn)行充分理解，在Windows的Visual Studio開發(fā)平臺上重新編寫這兩個問題的程序，將生成的exe程序置于WRK調(diào)試環(huán)境中，觀察用戶程序中同步/互斥數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，更好地理解同步/互斥機(jī)制。學(xué)習(xí)并分析同步/互斥對象及線程中的同步/互斥數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及對象和線程之間是如何有機(jī)地結(jié)合起來、分析對象的釋放、WRK的調(diào)度機(jī)制，并且使用WinDbg聯(lián)機(jī)察看相關(guān)線程狀態(tài)等。

實(shí)驗(yàn)四：工作集

一個進(jìn)程當(dāng)前正在使用的頁面的集合成為它的工作集(working set)，工作集是內(nèi)存管理一個相當(dāng)重要的概念。如果在內(nèi)存中裝的是整個工作集，那么進(jìn)程的運(yùn)行在進(jìn)入下一運(yùn)行階段之前不會產(chǎn)生大量的頁面失效。若內(nèi)存太小無法容納下整個工作集，進(jìn)程的運(yùn)行會產(chǎn)生大量的頁面失效，且速度也會很緩慢，大大降低系統(tǒng)性能。通過對缺頁率的長期研究，Denning提出了工作集理論。由于程序在運(yùn)行時對頁面的訪問是不均勻的(即局部性)，如果能夠預(yù)知程序在某段時間內(nèi)要訪問那些頁面，并將它們提前調(diào)入內(nèi)存，這將降低缺頁率，提高CPU利用率。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括頁面替換算法的分析、修改和驗(yàn)證等。分析Windows的頁面調(diào)度算法，了解基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、原理、相關(guān)的函數(shù)，借此了解Windows頁面調(diào)度算法的原理；修改Windows頁面調(diào)度算法，從最簡單的隨機(jī)算法開始，逐步嘗試課程中介紹的幾種經(jīng)典算法。

4.2 其他實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在WRK平臺中，CPU、進(jìn)程、線程、內(nèi)存的管理是很復(fù)雜的，但也是可以進(jìn)行相應(yīng)修改的。在教學(xué)中，可以在WRK平臺上設(shè)計(jì)一系列較為簡單的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過對Windows內(nèi)核機(jī)制修改、Windows內(nèi)核系統(tǒng)學(xué)習(xí)兩方面來加強(qiáng)教學(xué)效果。具體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如下：

實(shí)驗(yàn)一：線程調(diào)度原理實(shí)驗(yàn)

嘗試對Windows操作系統(tǒng)的線程調(diào)度進(jìn)行分析，了解多任務(wù)調(diào)度和切換的原理。

●分析源代碼，了解調(diào)度的原理，包括：調(diào)度的時機(jī)，線程切換的步驟，上下文保存和恢復(fù)的機(jī)制，時間片等。

●修改WRK的源代碼，修改時間片等，編寫測試程序，查看對系統(tǒng)的影響和性能的影響。

實(shí)驗(yàn)二：修改線程調(diào)度機(jī)制實(shí)驗(yàn)

嘗試對Windows操作系統(tǒng)的線程調(diào)度機(jī)制進(jìn)行修改，共享內(nèi)核模式線程棧。

●分析源代碼，了解等待操作的原理、用戶模式與內(nèi)核模式切換、線程的等待與喚醒、內(nèi)核棧的分配、線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

●修改WRK的線程調(diào)度源代碼，包括創(chuàng)建內(nèi)核模式棧緩沖池、內(nèi)核線程模塊、指針地址、調(diào)度時機(jī)等，編寫測試程序，查看對系統(tǒng)的影響和性能的影響。

實(shí)驗(yàn)三：虛擬內(nèi)存模型實(shí)驗(yàn)

32位的Windows為每個進(jìn)程提供了4GB的虛擬地址空間。因此可以保證多任務(wù)之間不會發(fā)生進(jìn)程之間數(shù)據(jù)互相訪問問題。本實(shí)驗(yàn)嘗試熟悉Windows虛擬內(nèi)存模型，以更進(jìn)一步了解Windows的原理。

●閱讀WRK的源代碼，了解Windows 4GB虛擬地址空間的構(gòu)成。了解X86硬件對虛擬地址空間的支持。

●閱讀WRK的源代碼，了解非法內(nèi)存訪問的時候操作系統(tǒng)的處理過程。

●修改WRK的源代碼，把虛擬地址空間的布局進(jìn)行修改，讓不同的進(jìn)程可以有一塊共享的地址空間，并且所有的進(jìn)程都可以對這段地址空間進(jìn)行訪問。

其他可選實(shí)驗(yàn)

●多核實(shí)驗(yàn)：考察在Windows系統(tǒng)下多核環(huán)境下的跨處理器同步機(jī)制，跨處理器調(diào)度的優(yōu)化。

●物理內(nèi)存管理算法：按照學(xué)生自己的思考修改WRK的物理內(nèi)存管理算法。

●作業(yè)調(diào)度管理分析實(shí)驗(yàn)：分析和修改作業(yè)調(diào)度機(jī)制。

●進(jìn)程掛起和恢復(fù)：通過增加一個API，把一個進(jìn)程中所有的資源掛起，保存到文件上，然后在需要的時候恢復(fù)該進(jìn)程的執(zhí)行。

5 結(jié)束語

我們在基于Windows的操作系統(tǒng)原理教學(xué)中，采用微軟為高校提供的最新WRK軟件作為操作系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐平臺，對現(xiàn)有操作系統(tǒng)原理本科生教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，基于WRK軟件以及隨軟件配備的TRK、WinDbg調(diào)試工具等設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容來提高Windows操作系統(tǒng)原理教學(xué)的效果，同時大大提高了學(xué)生的主動性、能動性以及動手實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王化文．Windows網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]．武漢大學(xué)出版社，2003.