Установка и настройка ОС Windows Vista

       Еще одной разновидностью проблем с  вводом-выводом в предыдущих версиях ОС Windows было то, что драйверы устройств не могли быть отменены должным образом, поскольку не существовало простого способа известить их об этом. Если пользователю приходилось завершать процесс, а затем видеть, как он остается в списке процессов, было можно наблюдать, как драйвер устройства не может ответить на запрос завершения процесса и отмены операции ввода-вывода, инициированной незавершенным процессом. ОС Windows не может окончательно завершить процесс до того, как все операции ввода-вывода данного процесса не будут либо завершены, либо отменены. В ОС Windows Vista драйверы устройств без проблем регистрируют извещения о завершении процесса, так что большинство проблем, связанных с незавершаемыми процессами, остались в прошлом. 

       1.3.5 Приоритет операций ввода – вывода

       Несмотря  на то, что операционная система Windows всегда поддерживала приоритеты использования  ЦП, в ней отсутствовало понятие  приоритетов операций ввода-вывода. Без поддержки приоритетов ввода-вывода фоновые операции, например индексация поиска, поиск вирусов и дефрагментация диска могут существенно ухудшать скорость ответа операций переднего плана. Пользователь, запускающий приложение или открывающий документ в то время, как другой процесс выполняет, например, операцию дискового ввода-вывода, сталкивается с задержками, поскольку приложению переднего плана приходится дожидаться доступа к диску. С теми же препятствиями сталкивается воспроизведение с жесткого диска потокового мультимедийного содержимого, например песни.

       ОС Windows Vista обеспечивает два новых способа распределения приоритетов для предоставления предпочтения операциям ввода-вывода переднего плана: приоритеты на отдельные операции ввода-вывода и резервирование полосы пропускания ввода-вывода. Система ввода-вывода в ОС Windows Vista обеспечивает внутреннюю поддержку приоритетов операций ввода-вывода, как показано в таблице 1.2, но используются только четыре приоритета (возможно, следующие версии ОС Windows будут поддерживать приоритет High (Высокий)).

       Таблица 1.2

       Приоритетом по умолчанию для операций ввода-вывода является Medium (Средний), а диспетчер памяти использует приоритет High (Высокий) для записи на диск содержимого памяти в ситуациях нехватки памяти для освобождения ОЗУ для других данных и кода. Планировщик задач ОС Windows устанавливает приоритет по умолчанию для задач ввода-вывода Low (Низкий), а написанные для ОС Windows Vista приложения, осуществляющие фоновую обработку, указывают приоритет Very Low (Очень низкий). Все фоновые операции в ОС Windows Vista, включая сканирование Windows Defender (Защитник ОС Windows) и индексирование поиска на рабочем столе, используют приоритет ввода-вывода Very Low (Очень низкий).

       Драйвер устройства класса системного хранения (%SystemRoot%\System32\Classpnp.sys) обеспечивает приоритеты ввода-вывода, которые автоматически применяются к операциям ввода-вывода, ориентированных на большинство устройств хранения. Этот и другие драйверы хранения помещают в свои очереди операции ввода-вывода с приоритетом Medium (Средний) до операций с приоритетами Low (Низкий) и Very Low (Очень низкий), но при этом выполняют, как минимум, одну операцию с приоритетом Low (Низкий) или Very Low (Очень низкий) в секунду, чтобы не препятствовать выполнению фоновых процессов. Данные, прочитанные операциями с приоритетами Low (Низкий) и Very Low (Очень низкий), также приводят к тому, что диспетчер кэша производит запись изменений на диск незамедлительно, не откладывая, и обходит логику упреждающего чтения для операций чтения, что в противном случае приводило бы к упреждающему чтению из файлов, открытых для чтения. Пример операций с приоритетом Very Low (Очень низкий), выводимых программой Process Monitor, можно увидеть на боковой врезке «Просмотр операций ввода-вывода с приоритетом Very Low (Очень низкий)».

       Поддержка резервирования полосы пропускания  в ОС Windows Vista удобна для применения приложениями воспроизведения данных мультимедиа, и проигрыватель Windows Media пользуется ею наряду с повышением приоритетов службой MMCSS для почти безошибочного воспроизведения локального содержимого. Приложение проигрывателя мультимедиа запрашивает у системы ввода-вывода гарантии возможности чтения данных на указанной скорости и если устройство может предоставлять данные с указанной скоростью, а существующие ограничения резервирования это позволяют, оно предоставляет приложению данные о допустимой скорости и объеме операций ввода-вывода. Система ввода-вывода станет обслуживать другие операции только в том случае, если возможно удовлетворить требования приложений, зарезервировавших целевое устройство хранения.

       Со  времен первой версии ОС Windows NT диспетчер памяти и система ввода-вывода ограничивали объем данных, обрабатываемых отдельным запросом ввода-вывода для устройства хранения, 64 КБ. Таким образом, даже если запрос ввода-вывода приложения был значительно больше, он разбивался на отдельные запросы, не превышающие 64 КБ. Каждая операция ввода-вывода подразумевала дополнительные затраты ресурсов на переключение в режим ядра и инициирование передачи ввода-вывода на устройство хранения, поэтому в ОС Windows Vista объем операций ввода-вывода больше не ограничивается. Некоторые компоненты пользовательского режима ОС Windows Vista подверглись модификациям для того, чтобы воспользоваться преимуществами большего объема операций ввода-вывода, включая функцию копирования в Проводнике и команду командной строки Copy (Копировать), которые теперь оперируют операциями ввода-вывода объемом 1 МБ. 

       1.3.6 Динамическое адресное  пространство ядра

       ОС Windows и приложения, выполняемые под  ее управлением, сталкиваются с ограничениями  адресного пространства 32-разрядных процессоров. Размер адресного пространства ядра ОС Windows по умолчанию ограничен значением 2 Гбайт (половина 32-разрядного виртуального адресного пространства). Вторая половина зарезервирована для использования процессом, выполняющимся в текущий момент на ЦП. На свою половину памяти ядро должно отобразить себя, драйверы устройств, кэш файловой системы, стеки ядра, структуры данных кода для каждого сеанса, а также невыгружаемые (заблокированные в физической памяти) и выгружаемые буферы, выделенные драйверами устройств. В операционных системах, предшествовавших ОС Windows Vista, диспетчер памяти распределял адресные пространства для перечисленных нужд в момент загрузки системы. Этот негибкий механизм приводил иногда к ситуациям, когда некоторые области адресного пространства оказывались исчерпанными, в то время как в других еще оставалось много свободного места. Нехватка адресного пространства в одной из областей может привести к сбоям в работе приложений и нарушить операции ввода-вывода, выполняемые драйверами устройств.

       В 32-разрядной версии ОС Windows Vista диспетчер  памяти динамически распределяет адресное пространство ядра, выделяя и освобождая адресное пространство с учетом потребностей текущей рабочей нагрузки. Таким  образом, количество виртуальной памяти, используемое для хранения выгружаемых буферов, может увеличиваться, когда этого требуют драйверы устройств, и уменьшаться, когда драйверы устройств освобождают память. Это позволяет ОС Windows Vista поддерживать более широкий диапазон рабочих нагрузок, а 32-разрядная версия следующего выпуска ОС Windows Server сможет поддерживать больше одновременно работающих пользователей сервера терминалов.

       Конечно, в 64-разрядной версии ОС Windows Vista пределы  адресных пространств не представляют практических ограничений, поэтому они не требуют каких-либо особых мер и установлены на максимальные значения. 

       1.3.7 Приоритеты памяти

       Помимо  приоритетов ввода-вывода (которые  обсуждались в предыдущем выпуске), в ОС Windows Vista появились также и приоритеты памяти. Чтобы понять, как система использует приоритеты памяти, нужно разобраться, как в диспетчере памяти реализован кэш памяти, называемый списком ожидания (Standby List). Во всех версиях ОС Windows, предшествовавших Windows Vista, физическая страница, затребованная системой у приложения (размер страницы обычно составляет 4 Кбайт), помещалась диспетчером памяти в конец списка ожидания. Если процессу снова требовался доступ к этой странице, диспетчер памяти извлекал ее из списка ожидания и вновь назначал процессу. Если процессу требовалась новая страница физической памяти, но свободной памяти не было, диспетчер памяти отдавал процессу страницу из начала списка ожидания. В такой схеме все страницы в списке ожидания были равнозначны, и порядок страниц определялся только временем их помещения в список.

       В ОС Windows Vista каждая страница памяти имеет  приоритет от 0 до 7, и диспетчер  памяти разделяет список ожидания на 8 списков, в каждом из которых хранятся страницы с соответствующим приоритетом. Если диспетчеру памяти нужно забрать страницу из списка ожидания, первыми будут извлекаться страницы из списков с более низким приоритетом. Приоритет страницы обычно совпадает с приоритетом потока, который первым вызвал выделение этой страницы. (Приоритет страницы с совместным доступом соответствует наивысшему приоритету памяти среди потоков, совместно использующих эту страницу). Поток наследует значение приоритета памяти от процесса, которому он принадлежит. Диспетчер памяти назначает низкий приоритет для страниц, которые он считывает с диска, когда предвидится обращение процесса к памяти.

       По  умолчанию значение приоритета памяти процессов равняется 5, но приложения и система могут менять значения приоритетов памяти для процессов  и потоков. Реальная выгода от использования приоритетов памяти становится понятной, если рассматривать систему относительных приоритетов страниц на более высоком уровне, а именно на уровне функции SuperFetch. 

       1.3.8 Функция SuperFetch

       Среди существенных изменений в работе диспетчера памяти – изменение способа управления физической памятью. У способа управления на основе списка ожидания, который использовался в предыдущих версиях ОС Windows, есть два ограничения. Во-первых, приоритет страниц определяется только на основании предшествующего поведения процессов без предсказания возможных будущих требований процессов к памяти. Во-вторых, определение приоритета осуществляется только на основании списка страниц памяти, которыми процесс владеет в конкретный момент времени. Эти недостатки могут привести к таким последствиям, как «послеобеденный синдром», когда пользователь оставляет на некоторое время свое рабочее место, и на компьютере запускается системное приложение, интенсивно работающее с памятью (например, выполняется сканирование диска антивирусом или производится дефрагментация диска). Работа такого приложения приводит к тому, что данные пользовательских приложений, которые находились в кэше, оказываются перезаписанными. Вернувшись на рабочее место, пользователь в течение некоторого времени страдает от низкой производительности, поскольку приложения запрашивают свои данные и код с диска.

       В ОС Windows XP была реализована поддержка  упреждающего чтения, благодаря которой  происходила более быстрая загрузка системы и запуск приложений. В  память заранее загружались данные, к которым предположительно будет требоваться доступ. Такое решение принималось на основании истории предыдущих загрузок системы и запусков приложений. Функция SuperFetch в ОС Windows Vista является существенным развитием схемы управления памятью, поскольку, помимо статистики недавнего доступа, она учитывает историю обращений к памяти за длительный период и проактивное управление памятью.

       Функция SuperFetch реализована в библиотеке %SystemRoot%\System32\Sysmain.dll; она выполняется в качестве службы Windows внутри процесса Service Host (%SystemRoot%\System32\Svchost.exe). Благодаря поддержке со стороны диспетчера памяти эта схема позволяет службе получать историю обращений к страницам памяти и отдавать диспетчеру памяти указания по предварительной загрузке данных или кода из файлов на диске или из файла подкачки в список ожидания, а также присваивать приоритет страницам памяти. Служба SuperFetch существенно расширяет отслеживание страниц памяти, учитывая страницы, которые были ранее загружены в память, но впоследствии освобождены диспетчером памяти для других данных и кода. Эта информация хранится в папке %SystemRoot%\Prefetch в виде файлов сценариев с расширением «.db» вместе со стандартными файлами упреждающего чтения, используемыми для оптимизации запуска приложений. Располагая подробной информацией об использовании памяти, служба SuperFetch может осуществлять предварительную загрузку данных и кода при освобождении физической памяти.

       Когда освобождается память (например, при  завершении работы приложения или когда приложение освобождает выделенную память), служба SuperFetch дает диспетчеру памяти инструкцию загрузить недавно выгруженные данные и код. Эта процедура осуществляется со скоростью в несколько страниц в секунду с приоритетом ввода-вывода «Very Low» (очень низкий), поэтому предварительная загрузка не мешает работе пользовательских и других активных приложений. Благодаря этому, когда пользователь оставляет свое рабочее место на время обеденного перерыва, и фоновые задачи, интенсивно работающие с памятью, приводят к выгрузке страниц памяти активных пользовательских приложений, службе SuperFetch зачастую удается вернуть большинство страниц в память еще до того, как пользователь вернется на рабочее место. У службы SuperFetch есть также специальные сценарии поддержки гибернации, ждущего режима, быстрого переключения пользователей (FUS) и запуска приложений. Например, когда система переходит в режим гибернации, служба SuperFetch сохраняет в файле гибернации данные и код, доступ к которым вероятнее всего потребуется после загрузки системы, с учетом истории предыдущих переходов в режим гибернации. В случае возобновления работы ОС Windows XP из режима гибернации при обращении к данным, находившимся в кэше до перехода в режим гибернации, необходимо было заново считывать эти данные с диска.