转载：掀开Windows内核的神秘面纱
2010-06-18
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在微软工作，最有吸引力的地方是能够融入微软的大家庭中，并触摸到方方面面的技术和产品。微软的产品线遍布软件技术的各个方向，真正称得上软件帝国。对于软件技术人员，这是极好的机会来满足自己的求知欲，并领略各种先进的软件产品是如何诞生的。
我有幸加入微软亚洲研究院，并从事自己喜欢的系统技术研究工作。最近两年，在机缘巧合之下，选择Windows内核原理作为写作题目，最终完成了一本讲述Windows内核技术的学习用书——《Windows内核原理与实现》（电子工业出版社，2010年5月），封面如下图所示。
- 神秘的Windows内核
在外界看来，Windows操作系统的核心是极其神秘的，微软官方的书籍大多停留于API层面，但业界却爆出了不少关于Windows内核的各种讯息，包括一些冠名为“Undocumented Xxx”的书籍和文章。事实上，微软对于操作系统技术并不封闭，也没有刻意遮掩什么。关于Windows操作系统的核心技术，MSDN中有不少文章涉及底层实现细节，而且，微软公开的符号服务，更是直接暴露了各个系统模块中的符号信息。对于逆向工程爱好者而言，这无疑是一份极好的礼物。
有两件事情足以说明微软对Windows操作系统技术的开放心态：
(1) 鼓励和支持“Windows Internals”一书多个版本的出版，此书不仅披露了让管理员更好地使用最新版本Windows的细节知识，而且也提到了Windows内核中各种机制的工作原理，以及一些设计理念。可以这样说，凡是看过这本书的技术人员，对于Windows内核不会再觉得神秘。
(2) 2006年7月开放了一份内核源代码——WRK(Windows Research Kernel)。WRK本质上是Windows Server 2003 SP1（和Windows XP x64）的内核源代码，就当时而言，代表了微软的最新内核技术。微软公开这份内核源代码的意图是，学校和科研机构可以用于操作系统的教学和研究。除了内核源代码，WRK还包含一些设计文档、学习讲义，以及内核的执行和调试环境。这些设计文档反映了Windows NT最初的核心团队是如何设计各个系统组件的，今天我们回头来看这些设计文档，尤其值得学习和深思。
我正好有机会翻译了“Windows Internals”第4版，这让我系统化地学习和认识了Windows操作系统。尽管在此之前，我对Windows已经非常熟悉，可以熟练地编写各种类型的应用程序，也了解Windows内核的许多组件，但翻译这本书的过程让我重新认识了Windows操作系统，从技术人员的角度认真地考虑了Windows系统的设计。
至于WRK，我在正式发布之前便已拿到，并帮助测试了其编译环境。在随后的几年中，我一直协助研究院的高校关系部门向国内高校推广和普及WRK的教学与研究，这期间结识了不少高校老师和学生。最终促使我写作Windows内核原理一书的缘由也因此而起。
- 在研究项目中深入Windows内核
与产品部门相比，在研究院工作的一个优势是，研究员们往往有机会选择自己感兴趣的问题作为研究对象。Windows经过十多年的发展，已经是一个很成熟的产品了，但是，Windows内核不见得已臻完美，它也仍然在发展和完善。其中一个重要的问题是性能，Windows Vista之所以饱受批评，一个显著的原因是它的性能未达到用户的预期；而Windows 7之所以深受好评，部分原因也要归于它良好的性能表现。
我最初从应用程序角度来看待性能问题。依据我自己的体验，有些应用程序时常会发生一些奇怪的事情，比如，即使系统很空闲时，它们可能也非常慢，对用户的响应并非如预期的那样快捷。当我碰到这样情况时，常常想，要是能钻到系统里边，看看系统到底在干什么，是否就能立即查明原因呢。这促使我想到，在内核中记录一些关键事件，利用这些事件信息来诊断应用程序的问题。最终的根源可能在应用程序，也可能在操作系统中。这是很原始的想法，后来进一步的研究和实践表明，这是可行的。在研究过程中，还解决过身边同事们的一些实际问题。
在研究Windows性能的过程中，恰逢Windows Vista和Windows 7两个系统的发布，我有机会跟Windows产品部门的同事交流关于性能问题的看法和各种做法。此外，微软亚洲工程院有一个小组一直在分析Windows的各种实际性能问题，这为我们的研究工作提供了实例支撑以及应用基础。因此，这一研究项目得到了多个部门的支持。
在实施这一研究项目过程中，我积累起了关于Windows内核的知识，虽然无法通晓Windows内核的方方面面，但对于Windows系统的运行过程有了较为清晰和完整的理解。在解析一些实例时，也常常会触及到Windows的源代码，因而弄清楚了 Windows系统的一些实现细节。
- 写一本介绍Windows内核原理的书
2008年5月，我注意到，尽管WRK已经发布快两年了，并且高校关系部门组织国内高校的一些老师设计了多个课程实验，但很多老师和学生反映通过WRK来学习Windows仍然很困难，最主要的原因是缺少导读性质的资料。WRK提供的讲义并不能有效地指导阅读内核源代码。我有在研究项目上积累的经验，知道Windows的内核源代码其实可读性非常好，只不过，Windows内核中各种机制本身较为复杂，从而容易在阅读过程中迷失方向。而且，Windows操作系统中不可避免地涉及到大量异步机制，导致许多单个功能的实现代码分布在多个地方，显得不是那么一目了然。
在2006~2007年间，我参与了国内操作系统老师设计WRK实验的全过程，深切地知道老师和学生们在使用WRK时碰到的诸多困难，也一直希望有人能基于WRK来写一些指导书。到2008年5月份，我卸下了清华大学理论计算中心的一门课程，便打算自己动手写这样一本指导学习WRK的书。经过简单策划以及跟出版社协商，很快便定下书名和内容要点：Windows内核原理与实现；基于WRK来系统化地阐释Windows内核中的核心机制，同时兼顾系统的完整性。
随后便是一年多的奋笔疾书，几乎每个夜晚都沉浸在Windows的内核机制中。在我的电脑上，总是打开着以下程序：Word（写正文）、Source Insight（检查和阅读源代码）、Virtual PC（虚拟机环境，我常常运行Windows Server 2003和Windows XP）、WinDbg（内核调试器）、Cmd（命令窗口）、Notepad（记事本）等。原定计划是，花1年时间完成一本500页左右的书，期望能在2009年秋季上市。实际上，花了1年半时间完成了将近700页的篇幅，从内容广度和深度上，基本上达到了预期的目标。
写作的过程也是学习的过程，期间克服了大量的技术障碍，常常为Windows内核中的精妙机制深深地吸引。Windows好比是众多能工巧匠协同努力、不断改进而完成的骇世之作，我有幸能解剖这一伟大作品，还有什么比这更值得投入去做的呢。这种信念一直支撑着我，丝毫不敢懈怠，直至完成所有预定要写的内容。
我尽可能从与读者同等的角度来叙述Windows内核中的机制。虽然我能够访问Windows完整的源代码，包括Windows子系统以及Windows系统dll等模块的代码，但我仍然尽量从WRK中获取知识，只有不得已才参考Windows的产品代码。偶尔，为了验证一些说法，我也会看一看逆向工程得到的代码。我秉持的一个原则是，凡是在书中讲到的内容，微软之外的任何一个人，只要有耐心，不管使用什么样的方法，同样可以获得这些知识。这本书的目标是，让读者可以快速地理解Windows内核如何实现操作系统的核心组成部分。有些内容虽然是第一次描述成文，但实际上任何人透过WRK的源代码都可以获得这些知识。
- 新书发布
在4月16日的WinCore 2010会议（Workshop）上，主持人John Warren为《Windows内核原理与实现》这本书留了10分钟时间，举行了一个小小的发布仪式。尽管有2/3左右的听众看不懂中文，但因为有Dave Probert、Arkady Retik和Lolan Song等专家和领导的支持与捧场，现场颇为热烈。我有些紧张，原计划在台上当面向微软的同事们表示感谢，一紧张就忘了，下来后就不好意思再上去，好在书中的致谢部分已经书面表达了谢意。
由于电子工业出版社的大力支持，这本书赶在2010年五一前夕上市了。我在第一时间拿到了样书，并且从互动网购买了一批（30本）以赠送亲朋好友。
最后，我想表达自己的一点感受：很幸运有机会写这样一本书，让Windows内核彻底不再神秘。总结起来，我得到了天时、地利、人和三方面的关照：
•天时 —— WRK的发布；
•地利 —— 在微软工作；
•人和 —— 得到产品部门和高校关系部门的鼎力支持。
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