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Linux兼容內核

有Windows接口的Linux内核

Linux兼容內核（Linux Unified Kernel，亦稱 Longene），是一個二進制兼容Windows和Linux應用軟件和設備驅動程序的計算機操作系統內核。它試圖在Linux內核的基礎上利用Linux內核材料構建MS Windows內核功能模塊從而擴充Linux內核的支持能力使之同時支持Linux和Windows的應用程序和設備驅動。

Linux兼容內核
LUK 0.2.1 運行 Kingsoft Office
開發者Insigma Technology
首次發布2006年
當前版本1.0-rc2（2014年1月16日，​10年前​（2014-01-16））
源代碼庫
編輯維基數據鏈接
編程語言C
操作系統Unix-like
類型內核
許可協議GNU General Public License 版本2
網站www.longene.org

兼容內核主要以C語言編寫，以GNU通用公共許可證授權使用。雖然兼容內核還處在初期開發階段，但許多Windows程序已經可以在其上運行。與其相反但類似概念的是 coLinux。coLinux 是在Windows上運行Linux應用軟件。

特性

兼容內核項目在Linux內核的基礎上利用Linux內核材料構建一個Windows內核環境（包括進程管理、線程管理、對象管理、虛擬內存管理、同步、系統調用、系統註冊機制和設備驅動程序框架等Windows系統內核機制），形成一個新的內核，使Linux和Windows應用程序和設備驅動程序能夠直接在其上運行。

兼容內核不是Linux內核和Windows內核的簡單堆砌。為了防止兼容內核變得臃腫，如果一個功能可以用利用ReactOS（Windows的開源仿製品）代碼實現，也可以利用Linux內核函數通過編程實現（ReactOS、Wine、NDISwrapper代碼作為參考），兼容內核傾向採用後一種實現方法。

兼容內核有兩套系統調用（syscalls）及其相應的系統調用表（syscall table）：一套為Windows系統調用，另一套為Linux系統調用。Windows應用程序通過軟中斷「int 0x2e」訪問系統調用表進行Windows系統調用。Linux應用軟件則通過軟中斷「int 0x80」訪問系統調用表進行Linux系統調用。

兼容內核項目不計劃開發Windows和Linux的在用戶空間運行的庫文件（.dll和.so文件）。這些庫文件由Wine項目（或MS Windows/ReactOS項目）和Linux項目提供。

在Linux核內空間實現Windows內核機制方案的優點

  • 開發快速。Linux內核已有成熟的CPU管理、內存管理、磁盤管理和外圍硬件管理等功能模塊及其實現函數。採用擴充Linux內核，通過嫁接（重定向）或重用Linux內核相關功能函數等方法實現Windows內核功能的方案要比從零開始編碼實現Windows內核的方案要快很多。
  • 兼容性好，效率高。在核內空間實現Windows內核機制比在核外實現能夠達到更大的兼容性。相比在核外利用宿主操作系統的API來構建Windows的API，在核內空間可以利用細小的內核材料來實現Windows的API。因內核函數顆粒度比API小，其靈活性更大仿製能力更強因而能夠達到更好的兼容性。另外，Windows進程、線程、系統調用等在核內運行能夠避免在核外運行帶來的用戶空間到內核切換額外的消耗，因而相比更有效率。在核內實現Windows內核機制與原生的Windows內核開發方法是一致的，能夠克服核外無法實現Windows某些功能的缺點。
  • 能夠實現Windows驅動。
  • 能夠使用全套MS Windows庫文件。Linux和MS Windows庫文件是通過軟中斷（Linux為「int 0x80」，MS Windows為「int 0x2e」）進入核內進行系統調用的。兼容內核在內核開發能夠為之設置與Linux和MS Windows中斷號相同的兩套獨立的系統調用以最大程度兼容MS Windows環境，使得MS Windows系統全套原生的用戶空間庫文件（.dll）能夠在兼容內核上運行。這給開發調試帶來方便，也給計劃和已經轉向Linux系統的持有MS Windows使用許可證的機構和個人帶來好處。
  • 兼容內核主要是在Linux的內核模塊（LKMs）中實現的，這使它像應用程序的插件一樣很容易加載和卸載。
  • 裁剪方便。實現Windows的API和驅動機制後，可以在不影響系統正常運行的情況下裁剪去除與Windows無關的Linux部分而只保留Windows功能，縮減體積以適應某些內存較小的設備。

開發

兼容內核是由中國的浙大網新有限公司在2005年9月發起的自由軟件項目[1]。作為項目負責人，毛德操先生提出了項目的設想和和開發路線。他寫了一系列闡述具體實現兼容內核的文章，這些文章的匯編為兼容內核白皮書[2]。根據的兼容內核白皮書，兼容內核開發的主要工作是在Linux內核中實現「一個框架和兩個界面」：

  • 一個符合Windows設備驅動程序的特徵和要求的框架，即Windows設備驅動框架，使得可以把多個Windows設備驅動模塊裝入內核，並使這些模塊間的關係和運行條件跟它們在Windows內核中時相同。
  • 一組由Windows內核導出(Export)函數界面(見Windows DDK)定義的導出函數。對於設備驅動程序而言，這些函數就相當於由內核提供的庫函數。
  • Windows的系統調用界面。微軟並沒有公開它的系統調用界面，但是在「Windows NT/2000 Native API Reference」和其他資料中已經揭開了這個秘密。在Linux內核中實現Windows的系統調用界面，就相當於用匯編語言來實現另一種高級語言。這是因為，在內核裡面，可以使用的「磚塊」就不再是宏觀的Linux系統調用，而是Linux的許多微觀的內核函數了。

兼容內核項目的成果為Linux內核補丁。兼容內核的開發者期望這些補丁最終融入Linux標準內核成為Linux內核標準的一部分。那樣擅長開發Windows應用程序和設備驅動的開發者就可以很方便地為linux平台開發軟件或把他們的產品移植到linux平台。對於Windows軟件開發公司來說，只需要開發維護一個代碼庫就可以實現跨平台，這將降低軟件跨平台所帶來的成本，增加這些公司把產品移植到Linux平台的意願。這些公司與Linux用戶都將從兼容內核項目直接受益。

開發策略和線路

兼容內核採用漸進方式進行開發，它以已經能正常運行的Wine和NDISWrapper為開發始點，通過開發自身的Windows內核功能模塊替換Wine中相應的功能模塊來實現Windows系統調用相關功能；通過改造和擴充NDISWrapper來實現Windows設備驅動框架；通過利用嫁接（重定向）等方法實現Windows內核導出函數。具體開發策略和線路[3] 如下：

  • Windows系統調用
兼容內核以Wine為開發始點，兼容內核開發在核內運行的內核功能模塊來替代Wine中在用戶空間運行的功能模塊，並通過對Wine打補丁使Windows應用軟件轉而使用兼容內核功能模塊。即是：如果兼容內核已經實現了該功能，則使用兼容內核提供的功能；否則使用Wine提供的功能。每替換了一些Wine的功能模塊，經調試測試穩定後就可以發行一個兼容內核版本。這個發行版本又是下一個版本的開發始點，周而復始直到把Wine的所有功能模塊被兼容內核模塊替代。兼容內核開發不限於替代Wine功能模塊，Wine在用戶空間受技術限制不能實現的功能兼容內核也要加以實現。
  • Windows設備驅動框架
NDISWrapper已經在Linux內核中實現了一個WDM的雛形，而ReactOS則已有一個基本可以運行的Windows設備驅動框架。兼容內核將以NdisWrapper為開發始點，借鑑ReactOS的代碼對NdisWrapper進行改造和擴充以實現Windows設備驅動框架。
  • Windows內核導出函數
ReactOS和NdisWrapper已經有一個基本的Windows內核導出函數集合。兼容內核在這個基本集合的基礎上逐步實現的自身的Windows內核導出函數。具體實現方法是如果Linux內核中有對應物的可以通過映射(重定向)/嫁接(適配)的方法連接到Linux內核中的對應物上，小部分在Linux內核中沒有對應物則需要利用Linux內核材料加以實現。

歷史版本

一個早期的版本,unifiedkernel-2.6.13,於2006年2月15日發佈。該版本實現了Windows系統調用機制。[來源請求]

色彩 意義
紅 舊版本; 不支援
黃 舊版本; 仍支援
綠 當前版本
藍 未來版本
版本 發佈日期 更新
0.1.0 2006年4月30日
  • 移植kernel-win32
  • Windows系統調用機制基於"int 2e"
0.2.0 2006年12月31日
  • 實現了Windows的進程/線程創建
  • 執行部分Windows的APC機制
0.2.1 2008年2月4日
  • 實現了Windows的進程/線程管理
  • 虛擬內存管理
  • 同步管理
  • 對象管理
  • 加載EXE功能
0.2.2 2008年10月31日
0.2.2-1 2008年12月17日
  • 修正錯誤
0.2.3 2009年2月12日
  • 移植Wine的註冊表管理機制
0.2.4 2009年5月22日
  • 移植wine的文件管理系統
  • 實現了一些註冊管理的API
  • binary packages for popular distributions provided
0.2.4.1 2009年8月31日
0.3 2010年5月31日
  • 移植所有wineserver的功能到內核及擺脫wineserver
0.3.1 2011年2月28日
  • 支持非root用戶使用
  • 支持程序中文路徑
0.3.2 2011年6月8日
  • 支持wineconsole。Windows平台的console程序，像cmd.exe可以像這樣運行了：wineconsole cmd.exe
  • 改進了進程的創建方式，使得windows的native-app 和 wine的一些buitin-app可以互相創建了
1.0-rc1 2013年12月31日
  • 完全修改了整個架構，Longene不再需要內核補丁
  • Longene終於支持了SMP
  • 安裝更方便，兼容性更好，穩定性更強
1.0-rc2 2014年1月16日
  • 將wine升級到1.7.10版本
  • 解決普通用戶重啟後無法使用的問題
  • 解決若干文件權限問題
  • 修改文件加載方式
  • 其他若干BUG

現在和未來的開發

兼容內核正在整合QEMU代碼以增加對ARM架構上直接運行Windows應用的x86架構二進制映像的支持。兼容內核開發將有兩個分支。一個是1.0分支，這是針對x86架構上的跨操作系統兼容。另一個是2.0分支，這是針對既跨操作系統又跨CPU架構的兼容。1.0分支的進展也體現在2.0分支中。[4] 兼容內核開發人員已經對Windows設備驅動框架進行了討論，NidsWrapper的代碼移植到兼容內核的工作已經開展。預計不久將進行實現Windows設備驅動框架的開發工作

可利用的資源

兼容內核不是從零開始編程的，它是在其他項目已有的代碼基礎上進行開發的。它對這些項目進行整合和再發展。兼容內核項目可利用的資源包括Linux kernel、Reactos、Wine、kernel-win32和NDISwrapper等[5]，它們都是開源項目源代碼可以自由取得。

兼容內核是基於Linux內核的。它在Linux可加載內核模塊(LKMs)中實現它的功能。與ReactOS項目從零開始編碼實現Windows內核不同，兼容內核是利用Linux內核中豐富的內核功能函數來實現Windows內核功能的。其實現Windows機制的主要途徑如下:
  1. Windows系統調用接口的實現——一些Windows的系統調用可以通過嫁接（重定向）到適當的Linux系統調用或部分重用相應的Linux內核函數來實現,,另一些在Linux內核中沒有對應物的功能則需要使用Linux低級的核內函數來實現。
  2. Windows設備驅動框架——-基本的設備驅動框架對應着Win2k內核中的I/O管理，以及電源管理、即插即用等機制，也涉及部分對象管理、系統配置、和安全管理方面的功能。。這個框架上面與有關文件操作的系統調用(open()，close()，read()，write()，ioctl()等)相銜接，中間實現基於「IO請求包」IRP（IO Request Packet）的設備驅動機制，下面則融入Linux內核的中斷響應/服務機制、包括「軟中斷」即bh函數的執行機制。主要包括設備驅動程序的動態裝入和連接的開發和實現、IRP的生成和傳遞、以及設備驅動程序的啟動、同步、和終結開發和實現、 將設備驅動程序的中斷服務登記嫁接到Linux的中斷機制上，將設備驅動程序所關心的Windows內核運行狀態映射到Linux內核的運行狀態上、 將設備驅動程序的DPC請求嫁接到Linux的bh函數機制上。
  3. Windows的設備驅動模塊(.sys文件)——微軟持有版權的.sys文件基本上是一些標準的、基本的、常用的外部設備，包括磁盤、USB、圖形設備、網絡設備等的設備驅動模塊。Linux實際上已經具備相應的功能，只是需要將Linux內核(包括設備驅動模塊)中的這些函數和數據結構與具體.sys的調用界面之間架起橋梁。但是也可能有一些微軟的.sys模塊在Linux內核中找不到對應物，那就需要仿製了。
  4. Windows設備驅動支撐界面——多數設備驅動界面函數(以及數據結構)在Linux內核中都有對應物，需要做的就是把所需的支撐函數和數據結構通過映射(重定向)/嫁接(適配)落實到相應的Linux內核函數和數據結構上，包括一些適配的工作。也有些函數在Linux內核中沒有較為接近的對應物，那就要用Linux內核中的各種素材加以搭建。
ReactOS是一個MS Windows內核的開源仿製品。與兼容內核利用Linux內核材料構建Windows內核的開發路線不同，它是完全從零開始編碼製作Windows內核的。和兼容內核一樣ReactOS只是一個內核，它依賴Wine項目的用戶空間庫文件使整個系統能夠運行。兼容內核參考ReactOS的代碼實現Windows內核的基本機制，包括進程/線程管理機制，內存管理機制，驅動系統框架等。
Wine在用戶空間實現了一個把Windows程序對Windows API調用轉向Linux API調用的兼容層，這個兼容層還負有Windows內核的進程/線程管理等的職能。雖然Wine和兼容內核均利用內核材料構建Windows API機制，但具體的實現方法是不同的，兼容內核是在內核空間利用Linux內核的核內函數來實現的，而Wine利用的是宿主操作系統的API來實現。另外兼容內核是在核內利用內核函數實現進程管理、線程管理、對象管理、虛擬內存管理、同步、系統調用、系統註冊機制和設備驅動程序框架等Windows基本機制的，而Wine是在用戶空間實現這些功能的。雖然兼容內核採取的技術線路與Wine的不相同，但Wine的實現方法還是可以能為兼容內核提供借鑑的，而Wine對Windows內核有關數據結構的研究成果則可以直接被兼容內核利用。
Windows用戶空間庫文件(.dll文件)雖然不是內核的一部分，但它們是操作系統能夠運行應用軟件不可或缺的部分。Windows用戶空間庫文件數量眾多，Wine項目花了大量的精力仿製了這些文件。兼容內核只實現Windows內核相關功能，它依賴Wine提供Windows用戶空間庫文件。大多數Wine的dll文件可以直接用在兼容內核上。
兼容內核已經實現進程/線程管理、對象管理、虛擬內存管理等功能，但還有部分功能沒有實現。在過渡時期，兼容內核利用Wine來提供它還沒有實現的功能。
Kernel-Win32是一個試圖把Wine的部分模塊移入Linux內核以提高Wine的運行效率的項目。兼容內核利用(部分是重實現)kernel-win32項目代碼實現了兼容內核的Windows系統調用機制。
NDISWrapper在Linux內核中實現了Windows內核的一些部件，包括NTOSKRNL API（一個基本的WDM控制器）和一系列諸如把Wireless/NDIS/USB/PnP等的Windows系統調用轉向Linux系統調用的封裝。NDISWrapper不限於執行NDIS驅動，只要WDM驅動不調用它還未實現的Windows系統調用也是可以運行的。因此可以認為NDISWrapper是一個WDM的雛形。兼容內核可以參考NDISWrapper和ReactOS的WDM實現構建自己的WDM。

用戶

  • MagicLinux - MagicLinux是一個基於Red Hat Linux的中文Linux發行版。MagicLinux 2.1之兼容內核衍生版是第一個內置兼容內核的發行版，它包含兼容內核0.2.2版本。[6]

硬件需求

兼容內核最低的硬件需求是:

  • 128MB RAM
  • IDE或SATA 硬盤
  • VGA兼容顯示卡
  • PS/2或USB鍵盤
  • PS/2或USB鼠標

架構支持

  • IA-32 (支援中)
  • x86-64 (不支援, 計劃中)
  • 龍芯3 (不支援, 計劃中) -- Loongson 3是一種MIPS-64 64-bit構架的通用CPU，它計劃包含二百多條指令以便硬件仿真x86 CPU指令，從而使其能夠運行Windows。

參考資料

  1. ^ [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Linux兼容內核項目正式啟動，中國工程院院士倪光南、開源軟件推進聯盟主席陸首群祝賀。
  2. ^ 兼容内核白皮书. [2008-11-30]. （原始內容存檔於2009-05-22）. 
  3. ^ 开发Linux兼容内核的策略与路线. （原始內容存檔於2010-04-05）. 
  4. ^ [2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）寫於龍井1.0發布之際
  5. ^ 兼容内核的三个重要源泉. （原始內容存檔於2010-04-05）. 
  6. ^ Magic Linux 2.1 released (Machine translation). [2009-03-13]. （原始內容存檔於2019-10-18）. 

外部連結

https://web.archive.org/web/20090224010114/http://www.longene.org/

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