【IT168评测中心】Windows 7/Windows Server 2008 R2发布已经有近一个月了，加上RC/beta阶段，相信很多人都已经接触或者使用过了。很多人都已经知道在界面，以及DirectX、图形架构上的改进，然而却很少有清晰、令人信服的资料，说明操作系统变得更快强、更强、更稳定，有的只是功能变的更加复杂了。有没有最基本、最核心的改动，可以让人们决定升级到新的版本呢？

 

　　从路线图上可以看出，Windows 7和Windows Server 2008 R2都属于发布升级，而之前的Vista/Server 2008则属于主发布。不过，从下面的资料以及从后面的文章内容上看，其实更新的东西还是挺多的。Windows 7/Server 2008 R2的6.1的版本号有部分的因素是考虑到兼容性。一些程序会需要检查主版本号(6)。

　　下面我们将会看到Windows NT内核上的多种变化，主要目标放在了NT 6.1(Windows 7和Windows Server 2008 R2)上，但是也会涉及到NT 6.0(Windows Vista和Windows Server 2008)和NT 5.0(Windows XP/Windows Server 2003)。首先我们会看到的是对Windows NT架构的简要描述。

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　　在谈及Windows的内核的时候，我们首先介绍一下Windows NT的架构。Windows 9x系列采用的是单内核的设计，而Windows NT则是微内核的设计，它们是很不相同的。如Windows 2000、Windows XP/Windows Server 2003、Windows Vista/Windows Server 2008一直到现在的Windows 7/Windows Server 2008 R2，都是基于、沿用了Windows NT的架构设计。

　　在199x年，微软与IBM合作开发OS/2决裂，之后，微软来自原DEC的人马开始专心制作盖茨梦想中的操作系统，新的操作系统部分基于OS/2 3.0，同时还带有DEC VMS的因素，这个操作系统被命名为Windows NT，NT就是New Technology新技术的意思。

Microsoft Windows NT 3.1，1993年，一直到现在，发展了16年

　　为此什么称之为NT呢？Windows NT采用了全新的设计思想，这牵涉到操作系统内核上的理念。在80年代前，主流的操作系统，要么是属于原始的没有内核的产品，要么属于单内核产品，到了80年代，学术界开始流行一种微内核的风潮，出现了如Mach（1985年）这样的经典微内核操作系统。典型的单内核系统则有各种Unix和类Unix。

　　在一个分层设计的操作系统中，为其他组件提供最基本的系统功能的部件就叫做内核。单内核就是单个大的进程映像中集成了操作系统中所有基础功能，而微内核就是在内核中仅集成了经过挑选的、基本的功能，其它的操作系统功能构建在其上——用户应用程序再构建其上。微内核的设计可以让系统变得更模块化，带来可移植性和新功能开发上的好处，此外操作系统层次更明晰，维护也会更加方便。

　　在用到新的微内核设计的同时，Windows NT就需要采用流行的双模式（Dual Mode）设计，整个系统分成两部分运行在两种特权等级下。两种特权等级分别是用户模式（User Mode）和监察者模式（Monitor Mode）或者系统模式（System Mode ），后者通常叫做核心模式（Kernel Mode）。操作系统的大部分都运行在核心模式，而用户程序则运行在用户模式，受到操作系统的监视、控制。

　　相信没听说过进程和线程概念的人应该很少，作为程序运行的实体，我们每天都在不停地创建、运行进程和线程。

　　Windows NT基于内核级线程模型，所有的线程都由内核管理调度，这个调度由内核的叫做Dispatcher分发器（也叫Scheduler调度器）的部件完成进行。进程的调度则由位于执行体的进程管理器来完成。

　　Dispatcher管理着线程的列表，以及各种时钟，如下图所示，Windows Server 2003也就是Windows NT 5.0具有一个大的Dispatcher Lock，下面管理着多个Timer Lock。Lock锁是一个共享/同步机制，同一时间只能有一个拥有者获得一个锁，并获得锁代表的系统资源。锁的概念让多线程的编程模型变的简单，然而却不利于并行运行，因为在一个拥有者获得资源的时候，其他用户只能等待，无所事事。Windows Server 2003确保了同一时间只能由一个线程来修改相关的状态，以及定时器：

　　如前面所述，由于两个大锁的消除，Windows Server 2008 R2可以支持到更大的多核系统。在之前的系统中，OS最高支持的逻辑处理器数量是用一个字长来表示的，如32位Windows只能支持32个逻辑处理器，64位Windows只能支持64个逻辑处理器：

　　但是Windows Server 2008 R2能支持到256个逻辑处理器，为了同时能和之前的应用程序兼容，2008 R2引入了处理器组的概念，它同时能支持到4个逻辑处理器组，老的应用程序可以不加改动就和以往一样使用最多64个逻辑处理器，而新的应用程序可以通过新的API使用完全的256个逻辑处理器。

　　估计知道DPC（Deferred Procedure Call，延迟过程调用）的人不多，不过对驱动程序架构有了结的人应该会知道，Windows NT的硬件中断处理和其它系统有些不同，它分为两个部分，一个是直接的ISR（Interrupt Service Routine，中断服务例程），以及DPC。重要的如电源失效、运算出错、硬件时钟等硬件中断必须立即进行处理，它们触发后将通过ISR中断等级较低的处理过程得到优先执行，而一些不怎么重要的硬件中断则不会立刻执行，而是会放在另外一个队列当中，稍后有空的时候再来执行，这将可以降低频繁的高等级中断导致其它中断等待时间过长、响应过慢的问题，如下图所示：

　　虽然知道的人不多，但是人们其实对ISR和DPC应该都有过最直接的感受：在老的机器当中进行大量的IDE磁盘操作时，或者以超高的速度下载资料时，人们会感受到系统的响应将会明显变慢，甚至就像死掉了一样——有时候会真正的死掉。在这个时候，用户可以观察到程序占用的CPU，真相就是，CPU都被ISR和DPC占用了。ISR和DPC通常包含在驱动程序内，由硬件厂商提供，DPC可以抢占普通的线程，设计不好的驱动程序将会导致很糟糕的用户体验，以及性能。

　　到了Windows Server 2008 R2，DPC相关的处理也有了改进，如下文所示，不得不说，这个Tech·ED 2009的中文文档翻译非常糟糕，几乎面目全非。有条件的应该观看最后给出的英文原稿：

　　在Server 2008 R2之前，虽然每一个处理器上面都可以运行DPC，但是具有一个统一的DPC定时器，以及对应的定时器的锁，它运行在系统的CPU0上，显然，这是一个瓶颈，特别是在虚拟化应用场景下，多个虚拟机的DPC定时器也都依赖于这个独特的CPU0。在Server 2008 R2之上，但一的DPC定时器队列被拆散成多个队列，并运行在多个CPU上。具有大量IO硬件，以及虚拟机的系统将会获得明显的益处，遗憾的是，这个改动只对2008 R2有效，Windows 7无法享受到。这也是在多CPU、大量设备的系统中Server 2008 R2比Windows 7更好的一个原因之一。对于一些高端发烧友而言，2008 R2是一个值得推荐的选择。

＊对于路过的Linux专家，必须得说，Linux 2.6有类似的机制，虽然没有一个像Windows这么一致的层次驱动程序架构。因此Linux的异步I/O显得略微粗糙一些。

　　Windows 7/Server 2008 R2的用户级线程调度实现其实不是一个发生在内核层面上的改进，因为它并没有去掉内核级线程调度。User Mode Scheduling，用户级调度，就和教科书上说的一样，通过避免频繁切换进内核来降低进程切换的消耗，从而获得很好的运行性能，同时避免一些内核的锁操作获得更好的并发性能。

　　可能知道的人很少：Windows NT一直提供了用户级线程的支持，它被称为Fiber，中文名叫做纤程。Fiber就是纤维的意思，把它叫做纤程的确很妙，纤程是比线程更细小的运行实体，一个线程可以分成多个纤程来运行。实际上，在Windows NT当中，程序的运行层次有四个：Task任务、Process进程、Thread线程、Fiber纤程。不过中间两个用的最多，两头的用的最少。

　　不过遗憾的是，UMS用户级线程调度只有在64位上提供，也就是Windows 7 x64和Windows Server 2008 R2上可用，Windows 7 32位没有这个功能。　　Heap，堆，是一个数据结构，用来保存各种各样的数据，堆污染（Heap Corruption）是系统不可靠的一个主要原因，15%的用户模式崩溃、关闭过程中30%的用户模式崩溃都由它引起，并且非常难于分析和修复。

　　Windows Server 2008 R2提供了一个新的特性叫做FTH（Fault Tolerant Heap，容错堆）来减缓这个问题，虽然它主要是为开发者准备，不过对最终用户也有一些作用，在监测到堆污染后，系统将会对崩溃的程序进行监视以及应用一些特别的措施。


　　在可靠性方面，Server 2008 R2在内核之外还有一些改进，如DWM模型的改进、降低图形驱动导致的崩溃等，见：比Vista更完善 Windows 7图形架构解析，此外，Server 2008 R2当中，系统缓存、分页池以及系统代码现在具有了独立的Working Set，之前它们是公用一个Working Set，这对可靠性以及性能都有些好处。

　　【IT168评测中心】我们已经谈及了Windows 7/Windows Server 2008 R2在核心上的多个改进，如两个大锁的去除，提升了多线程运行的性能并提高了系统的多核扩展性，这很符合现下处理器走向多核、并行处理的现状。为了更好的并行处理，DPC等个方面也有所改进。总体而言，不管你有多么喜欢Windows XP，Windows 7/Windows Server 2008 R2可以更好地配合现在的新硬件，功能更强，性能更好。

　　透过前文，我们也可以发现，有些特性只有Windows Server 2008 R2才具有，客户版的Windows 7缺少DPC分布式定时器，32位Windows 7缺少用户级线程。对于一些发烧友来说，Windows Server 2008 R2也是一个可以选择的桌面系统。而对于原来的桌面PC/服务器，Windows 7/Windows Server 2008 R2是一个值得升级的对象，当然，这最后还要取决于你愿不愿意花升级的钱。

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