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Linux相容內核

有Windows接口的Linux内核

Linux相容內核（Linux Unified Kernel，亦稱 Longene），是一個二進制相容Windows和Linux應用軟件和裝置驅動程式的電腦作業系統內核。它試圖在Linux內核的基礎上利用Linux內核材料構建MS Windows內核功能模組從而擴充Linux內核的支援能力使之同時支援Linux和Windows的應用程式和裝置驅動。

Linux相容內核
LUK 0.2.1 運行 Kingsoft Office
開發者Insigma Technology
首次發佈2006年
目前版本1.0-rc2（2014年1月16日，​10年前​（2014-01-16））
原始碼庫
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程式語言C
作業系統Unix-like
類型內核
許可協定GNU General Public License 版本2
網站www.longene.org

相容內核主要以C語言編寫，以GNU通用公共許可證授權使用。雖然相容內核還處在初期開發階段，但許多Windows程式已經可以在其上執行。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

相容內核專案在Linux內核的基礎上利用Linux內核材料構建一個Windows內核環境（包括行程管理、線程管理、對象管理、虛擬記憶體管理、同步、系統呼叫、系統序號產生器制和裝置驅動程式框架等Windows系統內核機制），形成一個新的內核，使Linux和Windows應用程式和裝置驅動程式能夠直接在其上執行。

相容內核不是Linux內核和Windows內核的簡單堆砌。為了防止相容內核變得臃腫，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），相容內核傾向採用後一種實現方法。

相容內核有兩套系統呼叫（syscalls）及其相應的系統呼叫表（syscall table）：一套為Windows系統呼叫，另一套為Linux系統呼叫。Windows應用程式通過軟中斷「int 0x2e」訪問系統呼叫表進行Windows系統呼叫。Linux應用軟件則通過軟中斷「int 0x80」訪問系統呼叫表進行Linux系統呼叫。

相容內核專案不計劃開發Windows和Linux的在用戶空間執行的庫檔案（.dll和.so檔案）。這些庫檔案由Wine專案（或MS Windows/ReactOS專案）和Linux專案提供。

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、主記憶體管理、磁碟管理和外圍硬件管理等功能模組及其實現函數。採用擴充Linux內核，通過嫁接（重新導向）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。
  • 相容性好，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相容性。相比在核外利用宿主作業系統的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相容性。另外，Windows行程、線程、系統呼叫等在核內執行能夠避免在核外執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庫檔案。Linux和MS Windows庫檔案是通過軟中斷（Linux為「int 0x80」，MS Windows為「int 0x2e」）進入核內進行系統呼叫的。相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呼叫以最大程度相容MS Windows環境，使得MS Windows系統全套原生的用戶空間庫檔案（.dll）能夠在相容內核上執行。這給開發除錯帶來方便，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。
  • 相容內核主要是在Linux的內核模組（LKMs）中實現的，這使它像應用程式的外掛程式一樣很容易載入和解除安裝。
  • 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執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主記憶體較小的裝置。

開發

相容內核是由中國的浙大網新有限公司在2005年9月發起的自由軟件專案[1]。作為專案負責人，毛德操先生提出了專案的設想和和開發路線。他寫了一系列闡述具體實現相容內核的文章，這些文章的組譯為相容內核白皮書[2]。根據的相容內核白皮書，相容內核開發的主要工作是在Linux內核中實現「一個框架和兩個介面」：

  • 一個符合Windows裝置驅動程式的特徵和要求的框架，即Windows裝置驅動框架，使得可以把多個Windows裝置驅動模組裝入內核，並使這些模組間的關係和執行條件跟它們在Windows內核中時相同。
  • 一組由Windows內核匯出(Export)函數介面(見Windows DDK)定義的匯出函數。對於裝置驅動程式而言，這些函數就相當於由內核提供的庫函數。
  • Windows的系統呼叫介面。微軟並沒有公開它的系統呼叫介面，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的系統呼叫介面，就相當於用匯編語言來實現另一種高階語言。這是因為，在內核裏面，可以使用的「磚塊」就不再是宏觀的Linux系統呼叫，而是Linux的許多微觀的內核函數了。

相容內核專案的成果為Linux內核修補程式。相容內核的開發者期望這些修補程式最終融入Linux標準內核成為Linux內核標準的一部分。那樣擅長開發Windows應用程式和裝置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用戶都將從相容內核專案直接受益。

開發策略和線路

相容內核採用漸進方式進行開發，它以已經能正常執行的Wine和NDISWrapper為開發始點，通過開發自身的Windows內核功能模組替換Wine中相應的功能模組來實現Windows系統呼叫相關功能；通過改造和擴充NDISWrapper來實現Windows裝置驅動框架；通過利用嫁接（重新導向）等方法實現Windows內核匯出函數。具體開發策略和線路[3] 如下：

  • Windows系統呼叫
相容內核以Wine為開發始點，相容內核開發在核內執行的內核功能模組來替代Wine中在用戶空間執行的功能模組，並通過對Wine打修補程式使Windows應用軟件轉而使用相容內核功能模組。即是：如果相容內核已經實現了該功能，則使用相容內核提供的功能；否則使用Wine提供的功能。每替換了一些Wine的功能模組，經除錯測試穩定後就可以發行一個相容內核版本。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的所有功能模組被相容內核模組替代。相容內核開發不限於替代Wine功能模組，Wine在用戶空間受技術限制不能實現的功能相容內核也要加以實現。
  • Windows裝置驅動框架
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執行的Windows裝置驅動框架。相容內核將以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裝置驅動框架。
  • Windows內核匯出函數
ReactOS和NdisWrapper已經有一個基本的Windows內核匯出函數集合。相容內核在這個基本集合的基礎上逐步實現的自身的Windows內核匯出函數。具體實現方法是如果Linux內核中有對應物的可以通過對映(重新導向)/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
  • 虛擬主記憶體管理
  • 同步管理
  • 對象管理
  • 載入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的檔案管理系統
  • 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
  • 支援非root用戶使用
  • 支援程式中文路徑
0.3.2 2011年6月8日
  • 支援wineconsole。Windows平台的console程式，像cmd.exe可以像這樣執行了：wineconsole cmd.exe
  • 改進了行程的建立方式，使得windows的native-app 和 wine的一些buitin-app可以互相建立了
1.0-rc1 2013年12月31日
  • 完全修改了整個架構，Longene不再需要內核修補程式
  • Longene終於支援了SMP
  • 安裝更方便，相容性更好，穩定性更強
1.0-rc2 2014年1月16日
  • 將wine升級到1.7.10版本
  • 解決普通用戶重新啟動後無法使用的問題
  • 解決若干檔案權限問題
  • 修改檔案載入方式
  • 其他若干BUG

現在和未來的開發

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

可利用的資源

相容內核不是從零開始編程的，它是在其他專案已有的代碼基礎上進行開發的。它對這些專案進行整合和再發展。相容內核專案可利用的資源包括Linux kernel、Reactos、Wine、kernel-win32和NDISwrapper等[5]，它們都是開源專案原始碼可以自由取得。

相容內核是基於Linux內核的。它在Linux可載入內核模組(LKMs)中實現它的功能。與ReactOS專案從零開始編碼實現Windows內核不同，相容內核是利用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系統呼叫介面的實現——一些Windows的系統呼叫可以通過嫁接（重新導向）到適當的Linux系統呼叫或部分重用相應的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低階的核內函數來實現。
  2. Windows裝置驅動框架——-基本的裝置驅動框架對應着Win2k內核中的I/O管理，以及電源管理、隨插即用等機制，也涉及部分對象管理、系統組態、和安全管理方面的功能。。這個框架上面與有關檔案操作的系統呼叫(open()，close()，read()，write()，ioctl()等)相銜接，中間實現基於「IO請求包」IRP（IO Request Packet）的裝置驅動機制，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。主要包括裝置驅動程式的動態裝入和連接的開發和實現、IRP的生成和傳遞、以及裝置驅動程式的啟動、同步、和終結開發和實現、 將裝置驅動程式的中斷服務登記嫁接到Linux的中斷機制上，將裝置驅動程式所關心的Windows內核執行狀態對映到Linux內核的執行狀態上、 將裝置驅動程式的DPC請求嫁接到Linux的bh函數機制上。
  3. Windows的裝置驅動模組(.sys檔案)——微軟持有版權的.sys檔案基本上是一些標準的、基本的、常用的外部裝置，包括磁碟、USB、圖形裝置、網絡裝置等的裝置驅動模組。Linux實際上已經具備相應的功能，只是需要將Linux內核(包括裝置驅動模組)中的這些函數和數據結構與具體.sys的呼叫介面之間架起橋樑。但是也可能有一些微軟的.sys模組在Linux內核中找不到對應物，那就需要仿製了。
  4. Windows裝置驅動支撐介面——多數裝置驅動介面函數(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對映(重新導向)/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。與相容內核利用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。和相容內核一樣ReactOS只是一個內核，它依賴Wine專案的用戶空間庫檔案使整個系統能夠執行。相容內核參考ReactOS的代碼實現Windows內核的基本機制，包括行程/線程管理機制，主記憶體管理機制，驅動系統框架等。
Wine在用戶空間實現了一個把Windows程式對Windows API呼叫轉向Linux API呼叫的相容層，這個相容層還負有Windows內核的行程/線程管理等的職能。雖然Wine和相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，相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利用的是宿主作業系統的API來實現。另外相容內核是在核內利用內核函數實現行程管理、線程管理、對象管理、虛擬記憶體管理、同步、系統呼叫、系統序號產生器制和裝置驅動程式框架等Windows基本機制的，而Wine是在用戶空間實現這些功能的。雖然相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相容內核提供借鑑的，而Wine對Windows內核有關數據結構的研究成果則可以直接被相容內核利用。
Windows用戶空間庫檔案(.dll檔案)雖然不是內核的一部分，但它們是作業系統能夠執行應用軟件不可或缺的部分。Windows用戶空間庫檔案數量眾多，Wine專案花了大量的精力仿製了這些檔案。相容內核只實現Windows內核相關功能，它依賴Wine提供Windows用戶空間庫檔案。大多數Wine的dll檔案可以直接用在相容內核上。
相容內核已經實現行程/線程管理、對象管理、虛擬記憶體管理等功能，但還有部分功能沒有實現。在過渡時期，相容內核利用Wine來提供它還沒有實現的功能。
Kernel-Win32是一個試圖把Wine的部分模組移入Linux內核以提高Wine的執行效率的專案。相容內核利用(部分是重實現)kernel-win32專案代碼實現了相容內核的Windows系統呼叫機制。
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系統呼叫轉向Linux系統呼叫的封裝。NDISWrapper不限於執行NDIS驅動，只要WDM驅動不呼叫它還未實現的Windows系統呼叫也是可以執行的。因此可以認為NDISWrapper是一個WDM的雛形。相容內核可以參考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之相容內核衍生版是第一個內建相容內核的發行版，它包含相容內核0.2.2版本。[6]

硬件需求

相容內核最低的硬件需求是:

  • 128MB RAM
  • IDE或SATA 硬碟
  • VGA相容顯示卡
  • PS/2或USB鍵盤
  • PS/2或USB滑鼠

架構支援

  • 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，從而使其能夠執行Windows。

參考資料

  1. ^ [1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Linux相容內核專案正式啟動，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，存於互聯網檔案館）寫於龍井1.0發佈之際
  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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