Windows32 Systemprogrammierung

Transkript

1 Hochschule RheinMain WS 2009/2010 Allgemeine Informatik (B.Sc.) Vertiefung Bachelor AI Windows32 Systemprogrammierung Eine Gegenüberstellung von Systemaufrufen unter Windows und Linux 1 von 27

2 Inhalte Grundlagen Dateioperationen Prozesse und Threads Dynamic Link Libraries Interprozesskommunikation Verteilte Systeme Quellcodeportabilität Windows API Datentypen und Notationen Registrierungsdatenbank Dateisysteme und -verwaltung BEISPIEL: cat Speicherverwaltung Synchronisation Named Pipes Mailslots WCF Sockets 2 von 27

3 Grundlagen Windows API Application Programming Interface #include <windows.h> Abgeschlossene Bibliothek einheitlicher Programmierschnittstellen In C/C++ und Assembler kernel32.dll, user32.dll, gdi32.dll, Funktionsverweise auf System Call Table im Betriebssystemkern Entwicklungen : Native API, Win32 API,.NET Framework, MFC-Bibliothek Gleiches Grundkonzept in Linux #include <unistd.h> 3 von 27

4 Grundlagen Datentypen und Notationen Ungarische Notation Datentypen und Variablennamen bestehen aus Präfixen (Erläutern Verwendungszweck im Programm) Basistyp (Erläutern Inhalt der Variablen) BEISPIEL: DWORD dwthreadidarray[max_threads]; Verbesserte Quellcode-Lesbarkeit Sprechende Variablennamen 4 von 27

5 Grundlagen Datentypen und Notationen DWORD LPWORD HANDLE HKEY 4 Byte (32 Bit) unsigned Integer Zeiger auf 2 Byte (16 Bit) unsigned Integer void-zeiger Speicherbereich Objektidentifikator Objektidentifikator eines Registrierungsschlüssels Typdefinitionen aus ISO C Standard (Plattformabhängig! ) size_t time_t... vorzeichenloser Datentyp (mindestens 16 Bit) Integer oder Float (32 oder 64 Bit) 5 von 27

6 Grundlagen Registrierungsdatenbank Konfigurationsdatenbank von Windows seit NT Einträge z.b. durch Installationsprogramme: Key-Value-Paare Installationspfade, Programmkonfigurationen,... + Zentraler Ablageort für Windows und -Programme + Schnell durch direkte Speicherung der Datentypen Problematisch, wenn defekt oder ungepflegt uninstall Einstellungen nicht portabel bzw. rechnerübergreifend Manipulationen von Hand durch das Dienstprogramm regedit.exe 6 von 27

7 Grundlagen Registrierungsdatenbank DHKEY_LOCAL_MACHINE \SOFTWARE \Microsoft \Windows \CurrentVersion \Run Grob Vergleichbar: Pseudodateisystem und Konfigurations-Skripte z.b. in /etc/init.d/ 7 von 27

8 Grundlagen Registrierungsdatenbank BEISPIEL: Auslesen der RUN-Konfiguration HKEY htestkey; if( RegOpenKeyEx( HKEY_LOCAL_MACHINE, TEXT("SOFTWARE\\Microsoft\\Windows\\CurrentVersion\\Run"), 0, KEY_READ, &htestkey) == ERROR_SUCCESS ) { /* Schlüssel-Informationen auslesen */ RegQueryInfoKey(...) /* Wenn Unterschlüssel vorhanden */ RegEnumKeyEx(...) /* Wenn Werte vorhanden */ RegEnumValue(...) } RegCloseKey(hTestKey); Quelle: MSDN Library lokale Demo 8 von 27

9 Dateioperationen Dateisysteme und -verwaltung FAT16, FAT32, NTFS Jeder Datenträger als eigenenes Laufwerk eingebunden Gesamtstruktur für Benutzer unsichtbar im System Ext2, Ext3, Ext4, ReiserFS, Gesamte Baumstruktur für die Benutzer nutzbar und einsehbar, sofern entsprechende Berechtigungen gesetzt 9 von 27

10 Dateioperationen BEISPIEL: cat #include "stdafx.h" //Application Framework extensions #include <windows.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) //ASCII oder Unicode { HANDLE hinfile, hstdin = GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE); HANDLE hstdout = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE); DWORD nin, nout; } hinfile = CreateFile(argv[i], GENERIC_READ, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL); if(hinfile == INVALID_HANDLE_VALUE){ //Fehlermeldung } while(readfile(hinfile, &chr, 1, &nin, NULL) && (nin!= 0) && WriteFile(hStdOut, &chr, nin, &nout, NULL)); CloseHandle(hInFile); 10 von 27

11 Prozesse und Threads Speicherverwaltung Strukturen: Jobs, Prozesse, (Kernel) Threads, Fibers (MS) Prozesse: Virtueller Adressraum von 4 GB 2 GB für System 2 GB für Benutzer Mindestens ein Thread und dessen Heap Threads: Entsprechen POSIX Threads von Linux Ein Übergabeargument: (struct-)zeiger pthread_create CreateThread pthread_exit ExitThread 11 von 27

12 Prozesse und Threads CreateProcess(...) eigenener, neuer Prozess Kind prozess kann auch nach Eltern prozess aktiv sein Keine abgegrenzten Prozessgruppen (aber Signalgruppen) Handles und IDs fork() exakte Prozesskopie exec(...) Überlagerung Hierarchie: Ende des Elternprozesses beendet Kindprozesse Begrenzte Prozessgruppen Nur Prozess-IDs 12 von 27

13 Prozesse und Threads BEISPIEL: Prozesserzeugung Zusammenfassung von fork(...) und exec(...) in CreateProcess(...) CreateProcess( NULL, // No module name (use command line) argv[1], // Command line NULL, // Process handle not inheritable NULL, // Thread handle not inheritable FALSE, // Set handle inheritance to FALSE 0, // No creation flags NULL, // Use parent's environment block NULL, // Use parent's starting directory &si, // Pointer to STARTUPINFO structure &pi ) // Pointer to PROCESS_INFORMATION structure Quelle: MSDN Library lokale Demo 13 von 27

14 Prozesse und Threads BEISPIEL: Threaderzeugung Voraussetzung: (Funktions)zeiger auf Start-Adresse definiert CreateThread( NULL, // default security attributes 0, // use default stack size MyThreadFunction, // thread function name pdataarray[i], // argument to thread function 0, // use default creation flags &dwthreadidarray[i] ) // returns the thread identifier Quelle: MSDN Library 14 von 27

15 Prozesse und Threads Synchronisation MSDN Library: Synchronization Objects Hauptsächlich: Event, Mutex, Semaphore, Timer Sekundär nutzbar: Change notification, Console input, Job, Memory resource notification, Process, Thread Besonderheit: Mehrere Threads in EINEM Prozess: void WINAPI EnterCriticalSection( inout LPCRITICAL_SECTION lpcriticalsection); BOOL WINAPI TryEnterCriticalSection( inout LPCRITICAL_SECTION lpcriticalsection); In Linux bekannt: Semaphore, Mutex, Signale 15 von 27

16 Dynamic Link Libraries Während Laufzeit nachladbare Funktionsbibliothek bzw. Klassenbibliothek (ActiveX) (Sicherheitskritisch!) Enthalten ausführbaren Programmcode.dll dynamisch,.lib statisch (und compile-stub für dll) Wird in den Speicherbereich des Prozesses eingebunden Wiederverwendbarer und schnell austauschbarer Code Nutzbar wenn nötig (z.b. OpenGL, DirectX, encoder,...) Ähnliches Konzept: Shared Objects (.so Dateien) 16 von 27

17 Dynamic Link Libraries BEISPIEL: dll-export einer Additionsfunktion #include <windows.h> // DLL entry function (called on load, unload,...) BOOL APIENTRY DllMain( HANDLE hmodule, DWORD dwreason, LPVOID lpreserved ) { return TRUE; } // Exported function - adds two numbers extern "C" declspec(dllexport) double AddNumbers(double a, double b) { return a + b; } #include <windows.h> #include <stdio.h> // Import function that adds two numbers extern "C" declspec(dllimport) double AddNumbers(double a, double b); int main(int argc, char *argv[]) { double result = AddNumbers(1, 2); printf("the result was: %f\n", result); Return 0; } Quelle: Wikipedia 17 von 27

18 Interprozesskommunikation (Named) Pipes Wie UNIX: Anonyme Pipes zeichenbasiert, halbduplex Named Pipes: vgl. FIFO, aber nachrichtenbasiert, vollduplex Pipe-Server ruft CreateNamedPipe(...) auf (ab NT) Clients greifen über Dateioperation CreateFile(...) zu MSDN Library FIFOs (halbduplex, zeichenorientiert, lokal nutzbar) mkfifo 18 von 27

19 Interprozesskommunikation (Named) Pipes Quelle: Hart - Windows System Programming 19 von 27

20 Interprozesskommunikation Mailslots Rundruf -Mechanismus: meist ein Sender, viele Empfänger Beispiel: Mailslot-Nutzung z.b. bei Systemdienst-Aufruf net send [IP-Adresse] <Nachricht> Eine Richtung Keine Empfangsgarantie/-bestätigung Netzwerkfähig Länge der Nachrichten begrenzt (424 Bytes) MSDN Library Nicht vorhanden (Hier eher z.b. Nutzung von Signalen) 20 von 27

21 Interprozesskommunikation Mailslots Quelle: Hart - Windows System Programming 21 von 27

22 Verteilte Systeme WCF Windows Communication Foundation DCOM, Enterprise Services, MSMQ, WSE, Web-Services unter einer einheitlichen API.NET Framework ab Version 3.0 mögliche Sprachen: C++, C#, VB Address (Adresse) als URI ( Binding (Anbindung) Festlegung von Protokoll und Kodierung Contract (Vertrag) legt Schnittstellen und Methoden fest 22 von 27

23 Verteilte Systeme Sockets Implementierung von IP unter BSD durch die freie Lizenz nahezu 1:1 auch unter anderen Systemen implementiert, auch unter Windows Programmierung auf allen Systemen sehr ähnlich bind(),listen(), accept(), connect(), von 27

24 Quellcodeportabilität Vor allem von Serveranwendungen wird oft vorausgesetzt, dass diese zumindest auf Windows, UNIX und Linux laufen. ein Quellcode für alle Plattformen per Makros und Build-Parameter werden Zielplattform, Prozessorarchitektur und 32- oder 64-Bit festgelegt bedingte Compilierung (#IFDEF, ) sollte wenn möglich vermieden werden der Quellcode sollte mit verschiedenen Compilern kompatibel sein Systemvoraussetzungen sollten auf allen Systemen ähnlich sein Bis auf wenige Ausnahmen, sollte dies bei einem ordentlichen Code ohne GUI-Interface möglich sein. 24 von 27

25 Quellcodeportabilität Strategien, um Portabilität zu erreichen Bibliotheken verwenden, die Open-Source sind oder von Microsoft bereitgestellt werden, welche POSIX-Funktionen unter Windows emulieren (häufig eingesetzt) Bibliotheken verwenden, die Windows-Funktionen unter UNIX/Linux emulieren (sehr rar) Industrie-Standard-Funktionen verwenden, die auch Microsoft direkt unterstützt (häufig) Makros anstelle von Bibliotheken verwenden, welche ein OS unter einem Anderen emuliert (auch rar) 25 von 27

26 Quellcodeportabilität Windows Services for UNIX SFU: Microsoft Produkt, das ein UNIX-Subsystem (Interix) im NT- Userspace bereitstellt aktuelle Version: 3.5, kann von der Microsoft Webseite bezogen werden erfüllt theoretisch alle POSIX-Anforderungen wird lt. Microsoft nicht weiter unterstützt 26 von 27

27 Quellen und Kontakt Marius Schäfer Ralf Erik Rossel Microsoft Developer Network Entwicklerbibliothek: Literatur: Johnson M. Hart: Windows System Programming (4th. Edition) Tutorial: Einführung in die Win32-Programmierung in C Ergänzung der Vorgänger: Wikipedia-Artikel als Ausgangspunkt zur Stichwortsuche: System Call Table von Linux und Windows (x86 Architektur): von 27