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Windows內核情景分析的前言

世上有這麽壹些人,這些人對於感興趣的事物絕不滿足於僅僅知其然,而非得要知其所以然才能舒服。這些人裏面,如果感興趣的是計算機操作系統、特別是Windows操作系統,那麽從這本書裏應該能獲得對於許多問題的答案。其實,筆者本人也是這個人群中的壹員,筆者閱讀、分析過Linux內核的源代碼,自然就也很想讀壹下Windows內核的源代碼,把Windows內核搞搞清楚。以筆者之見,對於像操作系統內核這麽復雜的軟件,想要搞搞清楚,就非得要深入到程序代碼中去不可。事實上,筆者有這個願望已經很多年了,可是Windows內核的代碼是不公開的,即便是退而求其次,要找壹些深入介紹Windows內核的書籍,也是寥寥無幾,而且看了以後也往往不得要領,覺得實在是語焉不詳甚至模棱兩可。確實,與程序代碼相比,任何自然語言都只能說是模糊而不確切的。幸而現有了ReactOS這個開源項目,這個項目的目標是要研發出壹個開源的Windows內核。該項目的參與者們想必對Windows內核下了很深的功夫,在代碼中極力模仿Windows,力求忠實於Windows,然而卻又是自己的實現。讀著ReactOS的代碼,筆者常常回想起壹些著作中的有關章節或片段,以前看的時候只好不求甚解,現看到代碼才真的明白了。由此又生出感慨,對於操作系統內核這麽復雜的軟件,是壹定要結合具體的代碼(哪怕只是用來描述算法的偽代碼)才能說清楚的。把內核的代碼封鎖起來不讓人研究,實際上是對於人類的“知的權利”的蔑視。而對於ReactOS代碼的作者們,筆者則壹來是感激,二來是佩服和尊敬,進而覺得應該把自己的理解和體會寫出來與讀者分享。本書所引的代碼基本上都出自ReactOS的0.3.3版,讀者可以自行下載壹份代碼,結合本書加以閱讀。

與ReactOS密切相關的另壹個開源項目是Wine,這個項目的宗旨是在Linux內核的外面做上壹個適配層,由壹個服務進程和壹些動態連接庫相結合構成的適配層,使得Windows應用軟件的二進制代碼可以直接(不經過移植和重新編譯就)在Linux內核上運行。壹言以蔽之,就是“核內差異核外補”。Windows應用軟件本來是要在Windows內核上運行的,而Windows內核與Linux內核顯然有著不小的差異,Wine的目的就是在核外(用戶空間)加以補償和虛擬,使Windows應用軟件得以在Linux內核上運行。在某種意義上,這甚至比ReactOS要做的更難,因為這是要在壹個不同的基礎上、不同的環境中重構壹個虛擬的Windows內核,沒有對於Windows內核的真正深刻的理解,這顯然是不可能的。筆者曾聽到(看到)壹些對ReactOS有所懷疑的說法,說是ReactOS的人怎麽能對Windows內核理解得那麽深刻?是不是他們拿到了Windows內核的源代碼,而只是在依樣重畫壹遍葫蘆?Wine的存在和成功(也許是部分的成功)正好回答了這個問題,正好可以作為佐證。要說對於Windows內核的理解,Wine的作者們絲毫不比ReactOS的作者們差,而Wine的代碼與Windows內核卻相去甚遠、涇渭分明。既然Wine可以壹行行代碼從頭寫來,ReactOS又有何不可?

不過,筆者以為,與其研發壹個開源的Windows內核,還不如把Linux內核改造成壹個“兼容內核(Unified Kernel)”,壹個既能支持Linux應用軟件運行,也能支持Windows應用軟件運行的內核。這對於Linux操作系統的普及有著莫大的好處。因為許多用戶已經習慣了Windows操作系統和Windows應用軟件的使用,要使這些用戶改用Linux操作系統,就得為其提供壹種平滑過渡的方案,最重要的是使用戶可以繼續使用那些已經在上面投入了種種資源,也已經習慣了的Windows應用軟件。雖然Wine在功能上也能起到相似或者基本相同的作用,但是在核外通過服務進程補償內核差異的做法難免帶來性能的下降,要避免性能的下降,就得在內核中補償內核的差異。筆者的這個主張得到了浙大網新科技股份有限公司的支持,並為此組建了壹個研發兼容內核的團隊,後來還得到了國家發改委和浙江省科技廳的項目支持。作為壹個開源項目,兼容內核的開發現正在進行之中。筆者由衷地感謝浙大網新科技股份有限公司的支持。此外,無論是兼容內核的開發還是本書的寫作,筆者都得到了中國開源軟件促進會陸首群主席和倪光南院士的鼓勵和支持,在此壹並致謝。

所以,驅使筆者寫作本書的動力不僅僅是對Windows內核的研究和介紹,更多地還來自開發兼容內核的需要。從某種意義上說,本書是兼容內核項目的副產品;如果沒有兼容內核項目,恐怕就不會有這本書。事實上,起初電子工業出版社向筆者約稿時,筆者的打算是寫壹本五六百頁的Windows與Linux的比較研究。可是,開始寫了以後就覺得不妥,因為既然有了“Linux內核源代碼情景分析”,就不宜再重復那本書中寫過的內容,而應該把篇幅都集中在Windows上。另壹方面,更為重要的是,參加兼容內核研發的人對於Linux內核都是比較了解的,而對於Windows內核則往往所知甚少,因而迫切需要有壹本對於Windows內核的情景分析。於是本書的寫作計劃壹改再改,篇幅愈來愈大,時間愈拖愈長,最後歷時三年才完成了本書的寫作,而篇幅已經達到了壹千多頁。為此,筆者要特別感謝電子工業出版社的朱沭紅、白濤兩位編輯,感謝她(他)們的耐心和熱情,更感謝她(他)們對本書的精心編輯。

在本書的寫作過程中,微軟開放了壹個縮微的“Windows研究性內核(Windows Research Kernel,即WRK)”的源代碼,供高校用於教學目的。就微軟而言,這當然是個進步,值得歡迎;但是這並不說明WRK是開源的。首先,WRK的公開範圍只是高校,而並不面向公眾,其許可證中明文規定分發的範圍只是“within your educational institution”。而且,許可證雖然允許在文章、書籍中引用代碼中的片段,卻規定“The total amount of source code in each of your snippets should not exceed 50 lines”,即每個片段的長度不能超過50行。更重要的是,WRK其實只是專供教學用的模型,而不是實用意義上的操作系統。筆者認為,實際上WRK離Windows比ReactOS(離Windows)更遠。這樣,即便不考慮許可證所加的限制,如果采用WRK的代碼寫作本書,則本書壹半以上的篇幅恐怕就不能存在了。這樣考慮下來,筆者決定還是采用ReactOS的代碼。

然而,ReactOS又畢竟不是Windows本身,並且Windows的有些功能和機制(例如文件系統中的Notify機制)在ReactOS中迄今尚未實現。所以,筆者衷心希望有朝壹日微軟會公開整個Windows內核的代碼,到那時候,如果各方面的條件允許的話,筆者願意再來寫壹本“正宗”的Windows內核源代碼情景分析。

當然,我們之所以要研究Windows內核,並不單純是為了滿足知識的欲望。操作系統內核在整個軟件產業鏈中處於上遊乃至源頭的位置,對操作系統內核的深入理解對於其他軟件的開發,特別是系統軟件的開發有著重要的影響。我的朋友胡希明教授常常用中醫和西醫來比喻兩種軟件開發的模式,中醫當然也能治病,但是有些病卻只能采用西醫的方法才能奏效。而西醫的最根本的基礎則是對於人體的解剖。實際上,現中醫也要拍片透視照X光了。

搞電影的人說電影是遺憾的藝術,因為壹旦拍成就不能再改了,所以常常留下遺憾。其實,留下遺憾的工作又豈止拍電影。本書尚未付印,但是筆者已經有了遺憾,有些內容本來是應該加以研究並寫入本書的,但是筆者的時間和精力已經不允許了。對於Windows內核這麽復雜和龐大的系統,筆者自覺不可能對每壹個細節的理解都能正確,所以本書中謬誤之處在所難免,只是筆者再沒有時間和精力細細去摳了,這也是令人遺憾的。

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