視窗應用程式檢查點與錯誤回復機制之實作

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(1)視窗應用程式檢查點與錯誤回復機制之實作 Implementation of Checkpointing and Error Recovery Mechanisms for Windows Applications 蔡智強教授國立中興大學電機工程研究所台中市國光路250 號 j [email protected] w. 吳子靈國立中興大學電機工程研究所台中市國光路250 號 [email protected]. 陳衍堅國立中興大學電機工程研究所台中市國光路250 號 [email protected]. 許玉霞國立中興大學電機工程研究所台中市國光路 250 號 [email protected]. 摘要檢查點的容錯技術在許多的研究中都被廣泛的討論，尤其是應用在通訊與資料庫的設計中為最多。檢查點的基本觀念可以簡單的解釋為：將目標程式當時的狀態與資料記錄並且儲存起來，以作為將來錯誤發生時，能將其回復當時狀態的依據。本論文選擇在 W i nd o ws 作業系統平台上以軟體方式實作檢查點錯誤回復機制，整個系統實作可分為三部分，分別為檢查點運算、錯誤回復運算、記憶體區塊掃描，三個部分的實作程式碼都以 C/ C ++ 程式語言建構起來。本實作的目的在建立一個以軟體方式運作的檢查點錯誤回復系統，可以利用此檢查點程式對應用程式作處理，透過儲存執行緒的狀態資訊及掃描記憶體區塊的方式，將某執行程式的狀態與資料記錄並保存起來，此檢查點程式會將此資訊以檔案的方式存放在永久性的儲存體，以作為將來發生錯誤時回復應用程式到正常狀態的依據。關鍵辭：軟體容錯，檢查點，錯誤回復， W ind o ws 作業系統架構. 1. 序論現今的個人電腦擁有驚人的潛力，且能提供無可限量的運算能力，但是擁有驚人的運算能力並不表示不會發生錯誤停擺的狀況。原因也許是軟體臭蟲，或者是硬體故障，也有可能是發生天災，最惱人的是人為的操作不當。. 容錯，字面上的意思就是容許錯誤或容忍錯誤。也就是在錯誤發生時，此錯誤會被系統偵測到，而且系統會以特殊的機制來使得錯誤不會影響到整個系統的運作。而什麼是錯誤呢 ? 錯誤（ Fa ul t），可解釋成在系統的實體區域（ P h ys ic al d o ma i n）中所發生的事件（ E ve n t）。這些事件的類型有：在硬體系統中的元件發生錯誤（ Co mp o ne n t Fa il ur e）、除以零、線路被持續施以固定電壓、行程被重新啟動、訊息（ Mes sa g e）在通訊通道（ Co m mu n i ca tio n C ha n n el）中遺失、行程在與其他行程作溝通時，偶而的會失去訊息、行程任意反覆的啟動、輸入感應器腐化損毀、網路上負載的激增。 [1] 容錯又有分成硬體容錯及軟體容錯。硬體錯誤通常都是元件發生錯誤，而硬體容錯的方式通常都是用一個新元件代替或是準備一個備用的元件。所謂的軟體容錯，所指的是利用一組軟體來偵測作業系統或硬體方面所無法處理的錯誤，以及從錯誤的情況加以還原。電腦發生錯誤的情形很多，根據應用程式的可用性（ Ava il ab i li t y）與資料的一致性（ Data Co n si st e nc y），來發展出偵測錯誤的方法以及還原的技術。 [2] 錯誤發生會導致資料遺失，更嚴重者還會使得整個系統毀損，但是要避開種種的錯誤似乎是不太可能，所以我們必須使系統有容許錯誤發生的能力，也必須使系統有修復錯誤、再生的能力，也就是容錯最基本的概念。論文章節安排如下：第一章，首先對本論文的研究動機與背景作說明。第二章，對實作的環境 - -W i nd o ws NT 作業系. 1.

(2) 統架構作一番的介紹。第三章，對軟體容錯技術 - -檢查點的實作技術作介紹。第四章，除了對本論文的實作方法作介紹之外，對檢查點實作、錯誤回復機制、及掃描所需要儲存記憶體空間的方法都作詳細的說明。第五章，對本論文的實作研究作結論，同時對未來可能的改良與研究方向提出一些建議。. 2. Windows作業系統架構 W ind o ws 經過許久的發展，已經從最初功能十分有限的 16 位元作業系統演變成了現在的介面親切、管理方便、功能強大的作業系統家族，如 W ind o ws 2 0 0 0 、 W ind o ws XP 。它之所以有這麼大的發展、除了微軟公司強大的商業推動力量之外， W ind o ws NT 本身的技術因素也是重要的原因，尤其是它自身的系統架構所具有的可擴充性、可執行性、穩定性、相容性和效率提升，正是這些特性讓 W i nd o ws 不斷得以進步。本章將從作業系統設計的角度介紹 W ind o ws NT 所具有的基本系統架構和執行原理。. 2.1.1 Window s NT 的組成 W ind o ws 作業系統大致上延襲著標準作業系統的架構，整個作業系統可分為內核層和外殼層，其實就是圖 2 -1 中的核心模式（ Ker n el Mo d e）和使用者模式（ U ser Mo d e）。粗線以下是 W ind o ws NT 的核心模式元件，它們都在統一的核心位址空間中執行。核心模式元件包括以下內容： 1. 核心（ Ker ne l）：包括了最低階的作業系統功能，例如執行緒排程、中斷和異常排程、多處理器同步等，同時它也提供了主管程式（ Ex ec ut i ve）來執行高階結構的一組程式和基本物件。 2.. 主管程式：包括了基本的作業系統服務，例如記憶體管理器、行程和執行緒管理、安全控制、 I/O 以及行程間的通訊（ I P C）。. 3.. 硬體抽象層（ Har d war e Ab s tr a ct io n La yer， H AL ）：將核心、設備驅動程式以及主管程式跟硬體分隔開來，使得 W ind o ws 作業系統得以實現跨越硬體平台的限制。. 4.. 設備驅動程式（ De vi ce Dr i ve r ）：包括檔案系統和硬體設備驅動程式等，其中硬體設備驅動程式將使用者的 I /O 函式呼叫轉換為對特定硬體設備的 I /O 請求。. 5.. 圖形引擎：包含了圖形使用者介面（ Gr ap hi ca l U ser I nt er f ace， G UI ）的基本函式。. 2.1 Windows NT 作業系統模型 W ind o ws NT 透過硬體機制執行核心模式（ Ker n el Mo d e）以及使用者模式（ U ser Mo d e）兩種權限分別。當作業系統為前者時， CP U 處於特權模式（ P r iv il e ged Mo d e），可以執行任何指令，並且可以改變狀態；而在後者時，C P U 處於非特權模式，只能執行非特權指令。一般來說，作業系統中那些比較重要的程式碼都執行在核心模式，而使用者程式一般都在使用者模式下執行。當使用者程式使用了特權指令，作業系統就能借助硬體提供的保護機制限制使用者程式的控制權，必作出相對應的處理。 [28] W ind o ws NT 的系統架構如圖 2 -1 所. 示。. 圖 2 -1 粗線上部的方塊代表了使用者模式，它們是在私有位址空間中執行，使用者模式下有四種基本類型的行程： 1. 系統支援行程（ S ys te m S up p o r t P r o ces s）：例如登入行程 W I N LO GO N 和會話管理器 SM S S，它們不是 W ind o ws NT 的服務，不由服務控制器啟動。 2.. 服務行程（ Ser v ice P r o c es s）：它們是 W ind o ws NT 的服務，例如事件日誌服務。. 3.. 環境子系統（ En v ir o n m en t S ub s ys t e m）：它們向應用程式提供執行環境（作業系統功能呼叫介面）， 2.

(3) W ind o ws NT 有四個環境子系統， W in3 2 、 P OSI X、 OS /2 1 .2 和 Sec ur it y。其中以 W i n3 2 子系統為中心，提供 OS /2 1 .2 及 P OSI X 兩個子系統作相容性對應的轉換。而 Sec ur it y 子系統則是為 W i n3 2 子系統提供身分認證的機制。 4.. 應用程式（ Us er Ap p l ic atio n）：它們是 W in3 2 、 W i nd o ws 3 .1 、 MS - DO S、 P OSI X 或 O S /2 1 .2 這五種類型之一。此層也就是一般使用者的應用程式執行時所在的位置，在這一層運作的應用程式必須依賴各個子系統提供的 AP I 函式來使用系統所提供的各項資源。. 2.1.2 Window s NT 的可攜性 W ind o ws NT 的設計目標之一就是能夠在各種硬體系統架構上執行，它用兩種方法執行了對硬體結構和平台的可攜性。第一個方法是分層的設計，依賴於處理器系統架構或平台的系統底層部分被隔離在單獨的模組之中，系統的高層可以被遮罩在各種不同的硬體平台之外。提供作業系統可攜性的兩個關鍵元件是 H AL 和核心，依賴於系統架構的功能（如執行緒描述表切換）在核心中執行，在相同系統架構中，因電腦而異的功能則在 H AL 中執行。第二個方法是 W i nd o ws NT 幾乎全部使用高階語言寫成 - -主管程式、應用程式和設備驅動程式都是用 C 語言編寫的，圖形子系統部份和使用者介面是用 C+ +編寫的。只有那些必須和系統硬體直接交換訊息的作業系統部分（如中斷陷阱處理程式），或效能極度敏感（如描述表切換）的部分是用組合語言編寫的，組合語言代碼主要分佈在核心及 H AL 中。. 3. 軟體容錯技術所謂的軟體容錯技術，所指的是利用一組軟體來偵測作業系統或硬體方面所無法處理的錯誤以及從錯誤的情況加以還原。為什麼軟體容錯會比硬體容錯複雜呢？主要的原因在於軟體錯誤狀態種類繁多、集合眾多元件，使得考量的因素增多。軟體系統通常動輒牽扯數百萬的互動式計算元件，同時軟體系統所結合的一些性質，在軟體系統中要達到完美的設計，是很困難的；而要做到錯誤偵測更有其難度。本章將討論軟體容錯的技術，以及軟體容錯的優點，並對本論文實作所採用的. 方法，加以詳細的介紹。. 3.1 軟體容錯機制現今科技生活中，對於應用程式軟體容錯能力的需求越來越大，有容錯能力的應用程式，可以去偵測到錯誤，並且能從應用程式底層硬體及作業系統所無法解決的錯誤回復回正常狀態。近年來，越來越多廣為人們使用的應用程式陸續出現在 W i nd o ws NT 上，因此軟體容錯越趨重要，實作在 W i nd o ws NT 上的容錯軟體一般稱之為 NT - S wi FT （ So ft war e I mp l e me n te d Fa u lt T o ler an ce）。而這些軟體提供了完整錯誤偵測及回復、檢查點運算、事件紀錄與重現、通訊錯誤回復、遞增資料備份以及 IP 封包的重送等。 [2][3][4][11][12][20]. 3.2 檢查點容錯機制檢查點是容錯中的一種機制，它最主要的功能，在於能夠允許使用者去保存目前執行中行程在任何時間點上的狀態資訊，當有錯誤發生時，能透過上回最後一次作檢查點時的狀態資訊，回復到正常執行的狀態。 [1][2][3][4][5] 檢查點的容錯方式除了可以不用針對個別的程式邏輯或使用者操作方式作錯誤的檢查與預防外，在對硬體故障所引發的錯誤回復需求上也有異地復原的解決方案。 [6][12]. 3.2.1 Window s 平台上檢查點資料收集從檢查點的應用方式來看，大多數的相關研究有兩種不同的實作機制。第一種，先建立好檢查點函式庫（ C he c kp o i n t Lib r ar y），供程式開發時在加入檢查點的功能；第二種，採用攔截 AP I （ I n ter cep t AP I ）的技術，直接對執行中的程式植入檢查點運算的功能。這兩種實作技術在應用層面上雖有不同，但核心部分卻都是一樣的，主要的目的都是在收集並且儲存目前正在執行中程式的檢查點資訊。而本文所採納的方法是屬於檢查點函式庫這個方法。. 3.3 應用程式的行程在作業系統中一個正在執行中的程式，我們一般稱之為行程（ P r o ces s） [ 7 ] [ 2 8 ]，而在 W i nd o ws 作業系統中一個一般的使用者行程所會用到的系統資源大概有以下幾個大項： ◆ 記憶體：行程擁有自己獨立的 32 位元 3.

(4) 定址空間。 ◆ 執行緒：一個行程中可以有多個執行緒共用行程資源。 ◆ 檔案與目錄：行程中開啟讀或寫的檔案資源。 ◆ 視窗物件：如視窗圖示、視窗功能表、視窗對話框等。 ◆ 通訊物件：如 So c k e t、 P ip e 等。 ◆ 輸出輸入裝置：如印表機裝置。 ◆ 同步共用物件：號誌（ Se ma p ho r e）、互斥（ Mu te x）等系統物件。以上的系統資源除了記憶體空間是程式載入為行程的時候就由系統配置之外，其餘資源的取得都要由行程透過系統函式的叫用才能取得。. 3.4 行程的記憶體空間行程在 W i nd o ws 作業系統中獨占線性的 32 位元定址空間，但更精確的說法是 3 2 位元的虛擬記憶體空間。 W i nd o ws 的記憶體管理採用的方式為： 1. 需求分頁（ De ma nd P a g in g ）：以 4 Kb yte s 為分頁單位，行程記憶體分頁的實體配置位置交由虛擬記憶體管理模組管理，在有需要的時候由磁碟的記憶體交換區取出記憶體分頁，將其載入實體記憶體中供行程使用。 2. 虛擬記憶體（ Vir t ual M e mo r y）：藉由使用磁碟上的記憶體交換區，提供行程大於實體記憶體容量的虛擬定址空間作運算。 3. 3 2 位元行程定址空間（ 3 2 -b it Ad d r e ss i n g Sp ac e）：在行程中支援完整的 4 GB 定址空間，其中低位址空間中的 2 GB 供使用者行程使用，而高位址空間中的 2 GB 則保留給核心模組使用。就 W ind o ws 作業系統中行程所使用的 2 GB 虛擬記憶體空間而言，檢查點運算要實作的部分就是要在這個 2 GB 的記憶體空間中找出需要儲存的記憶體區塊。由於 W ind o ws 中對於每一個記憶體區塊皆紀錄有該區塊的狀態與使用資訊，我們將在實作中還會作更詳細的說明。圖 3 .1 所示為 W i n3 2 記憶體管理階層圖。 [8][28][29]. 3.5 Windows虛擬記憶體空間的配置與保護虛擬記憶體的主要功能是在位址空間中保留一個區域、從分頁檔中為該區域安排一塊實體記憶體、並為該實體記憶體設定其保護屬性。要利用記憶體必須先將其配置一塊空的記憶體，首先呼叫 Vir t ual Al lo cE x ( ) 函式配置一塊區域（ Re g io n），一塊區域是以一個配置間隔邊界（ Allo cat io n gr a n u l ar it y b o u nd ar y）為起點，也就是 6 4 KB 為範圍。如圖 3 .2 所示。一個區域的大小是一個頁面（ P age）大小的倍數，在 W i nd o ws NT 中也就是 4 KB 的倍數。例如，若你想要保留一個 1 0 KB 的位址空間區域，系統會自動幫你配置成 1 2 KB 。 [ 9 ] [ 2 9 ]. 要使用一個已經保留的記憶體區域之前，必須要先配置一塊實體記憶體。要知道記憶體的配置情況，可以透過 Vir t ual Q uer yE x ( ) 函式來查詢，並設定記憶體屬性，之後再將實體記憶體映射至這已保留的區域，這部分的設定一樣可以透過 Vir t ual Al lo cE x ( ) 函式來完成。當不再使用記憶體時，必須使用 Vir t ual Fr e eE x( ) 函式來將配置的記憶體釋放掉，指定 MEM_ RE LE ASE 則記憶體狀態會變為可用的（ F RE E ）；指定 M E M _ D E C O M M I T ，則記憶體狀態會變為保留的（ RE SE R VE ）。屬於某行程的記憶體會很明確地被自己私有位址空間所保護。除此之外， W ind o ws 也藉由虛擬記憶體硬體來提供記憶體的保護，這些保護的做法會隨著處理器而改變，例如在一個行程位址空間中 4.

(5) 的程式碼區段可能會被使用者模式下的執行緒改為唯讀及被修改成受保護的。 [14][15][29] W ind o ws 所提供的記憶體保護有以下幾種，當我們配置或保護一塊記憶體中頁面時，可以選擇其中一項來指定存取權限。  P AGE_ E XE CUT E，允許執行有提交實體記憶體的頁面區域；  P AGE_ E XE CUT E_ RE A D，允許執行、讀取有提交實體記憶體的頁面區域；  P AGE_ E XE CUT E_ RE A DW R I T E ，允許執行、讀取、寫入有提交實體記憶體的頁面區域；  P AGE_ E XE CUT E_ W RI T ECOP Y，允許執行、讀取、寫入有提交實體記憶體映像檔程式碼頁面的區域，此頁面可以共享為 r ead -o n - wr i te及 co p y-o n - wr ite；  P AGE_ N O AC C ES S，不允對有提交實體記憶體的頁面區域作任何存取；  P AGE_ RE AD ON LY，只能允許讀取有提交實體記憶體的頁面區域，  P AGE_ RE ADW RI T E ，允許讀取、寫入有提交實體記憶體的頁面區域；  P AGE_ W RI T EC OP Y，對有提交實體記憶體的頁面區域給予 co p y-o n - wr ite 的保護。. 4. 檢查點錯誤回復實作由 W ind o ws NT 作業系統架構得知，要對於一個應用程式作檢查點的運算可以有兩種切入方式，一種從核心模式切入，另一種是從使用者模式切入。這兩種方式的運算邏輯完全不同，所需要的條件也各不一樣，但是其中有一項考量十分關鍵，那就是安全。從核心模式下切入時就必須跳過主管程式中安全控制的權限，直接在系統服務製作一個裝置驅動模組來實施檢查點的運算。這個意思就是說檢查點的操作在特權模式（ P r i vi le ged Mo d e）下，因此對於實作中各部分的安全性檢驗與查核必須由此實作負責處理。如此的做法除了很難評估會對 W i nd o ws 系統的整體安全與一致性有什麼樣的影響之. 外，對於 W i nd o ws 系統中權限與安全機制維護工作會造成沉重的負擔，也容易使得原本要作的檢查點運算目的失焦。因此採用使用者模式的檢查點運算就可以免去這些負擔，只要把檢查點運算的實作焦點放在執行檢查點運算時期相關資料的處理即可。 [19][23]. 4.1 實作環境實作檢查點錯誤還原系統時，在程式語言方面使用了C 語言，編輯器使用 MS V C（ Mic r o so f t ® V is ua l C/ C+ +），開發環境為 MS VS（ Mi cr o so f t® Vi s ua l St ud io 6 .0 ），作業平台為 Micr o so ft ® W i nd o ws XP P r o fe s sio n al。 [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 [ 2 7 ] [ 2 9 ] [ 3 0 ]. 4.2 實作方法 W in C kp 的實作方法主要透過使用 W in3 2 AP I 來建構整個架構， W i n C kp 也大量使用了 W i n3 2 函式，而這些函式可以讓一個行程去改變另一個行程的狀態。. 4.2.1 檢查點（ Checkpointing）與回復（ Rollback）在 W in C kp 這個專案中，我們透過 Cr e ateP r o ce ss ( ) 此函式來啟動應用程式。啟動應用程式之後，若要對此應用程式執行檢查點運算，必須先暫停所有執行緒，且必須將目前狀態的資訊存到一個檔案中，而這個檔案在實作中名為 ckp lo g。在作回復運算期間，也必須先暫停所有的執行緒，然後再透過之前對其作檢查點運算所存放的檔案（ ckp lo g）恢復之前的狀態資訊，最後， W i n C kp 才會重設（ Re se t）執行緒內文（ T hr ead C o n t e x t ），再恢復執行緒的執行。 W in C kp 會在目標程式（指應用程式）注入檢查點運算的執行緒，而這個執行緒所負責的部分就是將系統函式相關的資訊保存到一個穩定的儲存體內，而在返回或錯誤回復時，也能將這些系統函式的功能重現（ Rep la y）。 [ 1 8 ] [ 1 9 ]. 4.2.2 執行緒 (Threads) 執行 W i nC kp 的行程與執行應用程式的行程是獨立且不同的。在 NT 系統系列中，允許一個行程去取得及設定不同行程內執行緒的執行緒內文。要取得一個執行緒內文，必須使用 GetT hr e ad Co nte x t( ) 來獲得；而要去改變及回存執行緒內文，必須透過 Se tT hr e ad Co n te x t( ) 來設定。 [ 2 1 ]. 4.2.3 記憶體 (Memory) 5.

(6) W in C kp 會儲存應用程式的記憶體資訊，包括資料、堆積區、堆疊區。要取得一個行程記憶體映像，必須使用 Re ad P r o ce s sMe mo r y( ) 來獲得；而要回存修改後的記憶體，則必須透過 W r iteP r o c e ss Me mo r y( ) 來設定。之前提到一個 NT 系統的行程會有大概 2 GB 的私有位址空間，而範圍是從 0 x0 0 0 1 0 0 0 0 到 0 x7 F FE FF F F，但在這個空間上並不是每個區域都需要被儲存的。必須透過 Vi t ual Q uer yE x ( ) 這個系統呼叫來一個一個區域的檢查位址空間，只有在讀取以及寫入存取是啟動的（ en ab led ）及實體儲存體被提交（ co mmi t）時，就必須儲存記憶體區域。而 W i nc kp 可儲存每一個記憶體區域以及 MEM O RY_ B ASI C_ I N F OR M AT I O N 結構。 [8][16][28][29]. 來。. 4.3.1 行程執行緒的暫停與繼續若要對執行中的應用程式作檢查點運算之前，必須要能使此行程執行緒暫停（ S usp e nd ），之後才能做後續的處理。我們採用的函式是 S usp e nd T hr e ad ( )，它會暫停一個執行緒的動作，也就是會停止執行應用程式的動作，而此函式必須傳入此行程執行緒的代碼，這個代碼是透過 P RO CE S S_ I N FO R M AT I ON 結構來指定的。暫停執行緒，做完行程記憶體與資料的處理之後，必須恢復執行緒的執行，則透過 Re s u meT hr ead ( ) 函式來恢復應用程式執行緒的執行。. 4.3.2 執行緒的狀態資訊 4.2.4 檔案（ Files）為了作檢查點檔案及從檔案回復， W in C kp 使用檔案儲存的方法將執行緒內文（ T hr ead Co nt e xt）、應用程式視窗資訊、記憶體資訊、以及檢查點資料儲存起來，將透過 C 函式中的 fo p e n( ) 、 f clo se( ) 、 fr e ad ( )、 f wr it e( ) 函式來達成。在實作中，將有三個檔案分別用來存放這些資訊（ h wn d lo g、 co n te x tlo g 、 ckp lo g）。. 在行程執行緒被暫停之後，此時的目標行程已經完全停止動作，除了要儲存行程資料、記憶體頁面區域之外，還要將目前的這個行程中執行緒的執行資訊儲存起來。我們將透過 W i nd o ws 提供的兩個系統函式，一個是 Ge tT h r ead Co nte x t( )，在暫停執行緒後用來取得執行資訊；一個是 SetT hr ead Co n te x t( )，在恢復執行緒前用來設定執行緒的執行資訊。. 4.2.5 視窗物件（ Window Objects） W in C kp 會去儲存應用程式的視窗物件代碼，像是應用程式的視窗、視窗對話框等。視窗代碼與其他 GDI 物件的回復會有一個較大的困難點，就是介於這些物件的相依性，且它們並不能從其他的行程或核心中隔離出來。為了要回復一個視窗代碼， W i nC kp 首先會啟動一個新的行程，讓這個行程產生所有相關的視窗。之後， W i nC kp 會在舊的視窗代碼與新的視窗代碼間產生映射，在回存到記憶體前，用新的代碼值來取代檢查點檔案中舊的代碼值。它可適用 W ind o ws 上的應用程式，如踩地雷（ wi n mi n e.e x e）、接龍（ so l. e xe）、小畫家等。 [5][19]. 4.3.3 行程記憶體區塊的掃描行程在記憶體至少有兩個資料區塊，分別為堆積區與堆疊區，這兩個區塊內所存放的內容是行程的變數資料。堆積區中為行程的全域與靜態變數區；堆疊區中則是行程的區域變數存放區。除了這兩區之外，執行時期由系統記憶體管理函式所配置出來的記憶體區塊則是零散的分佈在行程的記憶體定址空間中。因此必須對整個記憶體空間作一次掃描，將其中屬於資料的記憶體區塊儲存起來。不過在掃描記憶體之前，要先暫停行程中的執行緒，否則儲存下來的記憶體資料區塊可能因為有其他執行緒正在作讀寫的運算，而造成資料的不一致（ I nco n s is te n c y）。. 4.3 檢查點運算在 W ind o ws NT 中，使用者所參考到的記憶體定址空間稱之為虛擬記憶體空間，在之前的章節已經有作過說明。在這個章節，我們要對應用程式執行緒與記憶體空間的內容作比較詳細的處理，以便能在作檢查點運算時，將需要的資料儲存起. 4.3.4 篩選記憶體區塊的條件對一個行程來說，W i nd o ws 作業系統下的行程雖然使用完整的 32位元的定址空間（ 4 GB 位元組），但事實上可供行程使用的定址空間是被限制在 0 x0 0 0 1 0 0 0 0 到 0 x7 FF EF F FF（約 2 GB 位元組），因此我. 6.

(7) 們要在這約 2 GB 的空間中找出需要儲存的區塊，但並非真的對這 2 GB 中的每一個 B yt e 去作搜尋，而是利用了 W i nd o ws 系統函式 Vir t ual Q uer yE x ( ) 來達到我們的目的。在應用程式行程 2 GB 記憶體空間，有哪些資訊是屬於檢查點在作錯誤還原的必要資訊呢？很明顯的答案是程式的全域、靜態以及區域變數。因為這些變數紀錄了程式在執行時期的行程狀態，能收集這些變數的的正確資訊是能夠正確還原檢查點的要素之一。在 W ind o ws 中的行程所配置的記憶體被系統切割為許多大小不一的區塊，每個區塊都有相對應的屬性，這些區塊的資訊都紀錄在 MEM O RY_ B ASI C_ I N F OR M AT I O N 結構. 中。圖 4 .2 W i nd o ws 虛擬記憶體空間 W ind o ws 在這 2 GB 的虛擬記憶體空間中採區塊的方式配置，各區塊分別以類別（ T yp e）、狀態（ S tat e）、保護（ P r o tect）來作區分。 ◆ 類別（ T yp e）：表示該虛擬記憶體區塊內資料的屬性，有 I M AGE 、 M AP P ED、以及 P RI V A T E 三種資料屬性。 ◆ 狀態（ St ate）：表示該虛擬記憶體區塊的實體記憶體配置狀況，有 CO MMI T 、 RES E RVE 、以及 F REE 三種狀況。 ◆ 保護（ P r o tect）：表示該虛擬記憶體區塊被允許的操作方式，有 RE AD ON LY、 RE ADW RI T E 、 EXE CUT E 、 …等。只要這三種屬性中的任意一種不同就不會合併成為一個連續的區塊。更正確的說法是，即使某一個區塊的尾與另一區塊的頭是連續的，但是 W i nd o ws 系統函式 Vir t ual Q uer yE x ( ) 並不會將其當作一個連. 續的區塊，除非這兩區塊的三種屬性一樣。需要注意的一點是，在掃描記憶體時，記憶體區塊是允許可讀寫（ P r o tec t 為 P AGE_ RE ADW RI T E ），以及有相對應的實體記憶體（ St ate為 ME M_ C OM MI T ）時，就必須將此記憶體區塊連同 MEM O RY_ B ASI C_ I N F OR M AT I O N 結構儲存起來，同時利用 Re ad P r o ce s sMe mo r y( ) 來讀取行程中記憶體區塊裡的資料，並將之儲存到所開啟的檔案中，這就能將檢查點的資料儲存起來。. 4.4 錯誤還原計算將執行緒內文、記憶體區塊及寫入記憶體的資料通通存入到所開啟的檔案中，這就是檢查點運算負責的功能。而當檢查點資料儲存成功之後，要如何在開啟的新行程中將存放的資料複製進來，讓新行程擁有舊行程作檢查點時的狀態，這就是此節所要討論的重點。首先是執行緒的狀態，新執行緒啟動時，必須先將其動作暫停，再將之前所存的內容取出，並利用 Se tT hr ead Co n te x t( ) 函式來設定新執行緒內文的狀態。其次是記憶體區塊狀態的復原，先讀出所儲存的記憶體資訊，判斷記憶體的保護必須為可讀寫的（ P r o tec t 為 P AGE_ RE ADW RI T E ），讀取紀錄檔中記憶體的內容，並設定其基底位址，修改記憶體狀態之後，再將此記憶體內容寫入行程的記憶體中。若無法寫入，先透過 Vir t ua lQ u er yE x( ) 函式取得另外一塊記憶體的資訊，再透過 Vir t ual Al lo cE x ( ) 函式來設定配置記憶體區塊類別為有相對的實體記憶體（ MEM_ C OMM I T ），最後再透過 W r iteP r o c e ss Me mo r y( ) 函式將其寫入行程的記憶體。若虛擬記憶體並無實體記憶體對應時（ MEM_ RE SE R VE、 M EM_ F R EE ），就必須將其設定成有實體記憶體對應（ MEM_ C OMM I T ）。如果狀態是為保留時，可直接透過 Vir t u al All o cE x( ) 函式將其配置的類別改為有實體記憶體對應；如果狀態是為釋放時，就必須將之前所另外配置的記憶體區塊資訊傳入 Vir t ual Al lo cE x ( ) ，並將其類別設定為保留，之後再將其類別改為有實體記憶體對應。修改記憶體保護後，也順利寫入行程的記憶體，最後再將行程執行緒繼續動作，這就是錯誤回復最主要的部分。. 5. 結論與未來展望 7.

(8) 5.1 結論本論文在 W i nd o ws 作業系統平台建立起一個完整的檢查點運作的基礎模型，將檢查點運算所需要的功能一一給於明確的定義，並完成了在 W i nd o ws 平台上實施檢查點運算技術的核心功能。經過多個應用程式的測試，幾乎所有 W ind o ws 平台上的應用程式都能透過此實作，達到檢查點錯誤回復的功能。此實作方法雖與大多數檢查點技術相去不遠，但卻不必透過複雜的機制，也能達到一樣的功能。以本實作的模組架構為基礎，對於要進一步研究或是其他的實作應用，應該都有不少的幫助。. 5.2 未來展望本論文所作的實作，在檢查點資料的收集方面只針對行程中單一行程執行緒與記憶體作處理，而在多執行緒、視窗元件等其他方面的資訊，可以作更進一步實作研究 [ 1 8 ] [ 2 1 ]；可結合網路部分，以檔案存放方式，放置在不同主機上，以達到遠端回復的效果；可以移植到其他較小的作業系統上，例如 W i nC E ，透過無線網路來達到行動式檢查點的功能；也可針對檔案存取作相關的控制應用，例如檔案的加密保護、檔案的壓縮 /解壓縮。. 參考文獻 [ 1]Al iEbnenas i r ,“Sof t war e Fa u lt -Tol er ance”,Comput erSci ence and E n gi ne er i n g D ep ar t m en t Mi c hi g a n St at e U ni ver s it y U. S. A ht tp : // www. c s e. ms u .ed u / ~c se8 7 0 / Lec t ur e s/ SS2 0 0 5 / ft1 .p d f [ 2 ] P . E mer ald C h u n g, Ye n n u n H ua n g, C ha nd r a K i nt ala , W o e i -J yh Lee, Der o n Lia n g, T i mo t h y K . T sa i, an d C h u n g -Y i h Wang.“N T- S wiF T: S o ft wa re I mp l emen ted Fa u lt To le ra n ce o n Win d o w s NT ”,2n d USE NI X W i nd o ws NT S y mp o si u m, Au g u s t 1998. [ 3 ] Yo u h ui Zha n g, Do n g s he n g W a n g, a nd Wei mi nZheng.“Tra n sp a ren t Ch e ckp o in tin g a n d Ro l l b a ck Re co ve ry Mech a n i sm fo r Win d o w s N T Ap p lica tio n s ”, Ap r i l 2 0 0 1 , p p . 7 8 - 8 5 . [ 4 ] J o h n y Sr o uj i, P a u l S ch u s ter , Ma ur y Bach,andYul i kKuzmi n.“A T ra n sp a ren t Ch e ckp o in t Fa ci li ty o n N T”,2ndUSENI X W ind o ws NT S y mp o s i u m, Au g u s t 3 - 4 , 1998. [ 5 ] P . E mer ald C h u n g, W o ei -J yh Le e, Ye n n u n H ua n g, Der o n L ia n g, a nd. C h u n g - Yi hWang.“Win c kp : a T ra n sp a ren t Ch e ckp o in tin g a n d Ro l l b a ck Re co ve ry To o l fo r Wi n d o ws N T Ap p l ica tio n s”, Fa u lt -T o ler a nt Co mp u ti n g, 1 9 9 9 . D i ge st o f P ap er s. T we nt y- N i n t h An n ua l I n ter na tio n al S y mp o si u m, J u n e 1 9 9 9 , p p . 2 2 0 -2 2 3 . [ 6 ] T o m B o yd a nd P ar t h a Da s g up ta, “Pro ce s s M ig ra t io n : A Gen e ra l i zed Ap p ro a ch U sin g a Vi r tu a li zin g Op e ra tin g S ys tem ”,Di s t r i but edCo mp u ti n g S ys t e ms , 2 0 0 2 . P r o ceed i n gs . 2 2 nd I n ter na tio n al Co n fer e nce o n, 2 -5 J ul y 2 0 0 2 , p p . 3 8 5 -3 9 2 . [ 7]J ef f r eyRi cher ,“P ro ces s ”,Chapt er4,i n Pro g ra m min g Ap p l ica tio n s fo r M ic ro so ft Win d o w s, Fo ur t h Ed i tio n, Mi cr o so f t P r e s s, 1999. [ 8]J ef f r eyRi cher ,“Win 3 2 Me mo ry Arch it ectu r e”,Chapt er13,i nP ro g ra m min g Ap p li ca t io n s fo r Mic ro s o ft Win d o w s, Fo ur t h Ed i tio n, Mi cr o so f t P r e ss , 1 9 9 9 . [ 9]J ef f r eyRi cher ,“Us i n g Vi rtu a l Memo r y in Yo u r O wn Ap p lica tio n s”,C h ap te r 1 5 , i n Pro g ra m min g Ap p l ica tio n s fo r M ic ro so ft Win d o w s, Fo ur t h Ed i tio n, Mi cr o so f t P r e s s, 1999. [ 1 0 ] Da v id A. So lo mo n and Mar k E. Rus s i novi ch. ,“I n s id e M ic ro so ft Wi n d o ws 2 0 0 0 ”,3r dEdi t i on,Mi cr os of tPr es s ,2000. [ 11]J .Gr ayandA.Reut er ,“T ra n sa ct io n Pro c es s in g : Co n c ep t s a n d Te ch n iq u e s”, Mo r ga n Ka u f ma n n P ub li s her s, 1 9 9 3 . [ 1 2 ] H. Ab d e l -s haf ietal ,“E ff ic ien t Us er- Le ve l Th r ea d M ig r a tio n a n d Ch e ckp o in tin g o n Win d o w s NT Clu st er s”, 3 r d US ENI X W i nd o ws NT S y mp o si u m, 1999. [ 1 3 ] J . P la n k, M. B e c k a nd G. Ki n g sl e y, “Li b ckp t: Tra n sp a ren t C h eckp o in tin g Un d e r U NI X ”,1995Us eni xConf er ence. [ 1 4 ] MS D N Lib r ar y- J a n uar y 2 0 0 1 , Micr o so f t Co r p o r a tio n, 2 0 0 1 . [ 1 5 ] MS D N Li br ar y,“M emo ry P ro tec tio n ”, P lat fo r m S DK : M e mo r y Ma na ge me nt . ht tp : // msd n . mi cr o so f t.co m/ l ib r ar y/ d e fa u lt .a sp ? ur l=/ lib r ar y/ e n - u s/ m e mo r y/b a se / me mo r y_ p r o tec tio n. asp [ 1 6 ] MS D N Lib r ar y, “ME M OR Y_ BAS I C_ I NF OR MAT I O N”, P lat fo r m S DK : M e mo r y Ma na ge me nt . ht tp : // msd n . mi cr o so f t.co m/ l ib r ar y/ d e fa u lt .a sp ? ur l=/ lib r ar y/ e n - u s/ m e mo r y/b a se / me mo r y_ b a s ic_ i n f o r ma tio n_ str .asp [ 1 7 ] Mi cr o so f t Fo u nd a ti o n C la ss Lib r ar y, NS DN Ho me , ht tp : // msd n . mi cr o so f t.co m/ l ib r ar y/ d e fa u lt .a sp ? ur l=/ lib r ar y/ e n - u s/ vc mf c 9 8 / h t ml / mf c h m .asp [ 1 8 ] J i n -M i n Y a n g, Da - Fa n g Zh a n g a nd X ue -DongYang,“Us e r- leve l imp lem en ta tio n o f ch eck p o in tin g fo r 8.

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