技术漫谈：虚拟化工作原理与虚拟化

概念很早就已出现。简单来说，虚拟化就是某些程序，并使其看起来类似于其他程序的过程。

将这个概念到计算机系统中可以让不同用户看到不同的单个系统（例如，一台计算机可以同时运行Linux和Microsoft? Windows?）。这通常称为全虚拟化（full virtualization）。

虚拟化也可以使用更加复杂的格式，其中单个计算机看上去具有多个架构（对于一个用户来说，它是一个标准的x86平台；对于另外一个用户来说，它是IBM Power PC?平台）。这种虚拟化形式通常被称为硬件仿真。

最后，更加简单的一种虚拟化是虚拟化，其中一台计算机可以运行相同类型的多个操作系统。这种虚拟化可以将一个操作系统的多个隔离开来（这意味着全都必须使用相同类型和版本的操作系统）。

虚拟化的工作

虚拟化的底部是要进行虚拟化的机器。这台机器可能直接支持虚拟化，也可能不会直接支持虚拟化；那么就需要系统程序 层的支持。系统管理程序，或称为VMM，可以看作是平台硬件和操作系统的抽象化。在某些情况中，这个系统管理程序就是一个操作系统；此时，它就称为主机操作系统.

系统管理程序之上是客户机操作系统，也称为虚拟机（VM）。这些VM都是一些相互隔离的操作系统，将底层硬件平台视为自己所有。但是实际上，是系统管理程序为它们制造了这种假象。

目前使用虚拟化解决方案的是，并非所有硬件都可以很好地支持虚拟化。较老的x86处理器根据执行范围对特定指令会产生不同结果。这就产生了一个问题，因为系统管理程序应该只能在一个最受保护的范围中执行。由于这个原因，诸如VMWare之类的虚拟化解决方案会提前扫描要执行的代码，从而将这些指令替换为一些陷阱指令（trap instruction），这样系统管理程序就可以正确地处理它们。Xen可以支持一种协作的虚拟化，它不需要任何修改，因为客户机知道自己正在进行虚拟化，并已经进行了修改。KVM会简单地忽略这个问题，如果您希望进行虚拟化，就强制必须在更新的硬件上运行。

虚拟化的类型

实现虚拟化的方法不止一种。实际上，有几种方法都可以通过不同层次的抽象来实现相同的结果。本节将介绍Linux中常用的3种虚拟化方法，以及它们相应的优缺点。有时会使用不同的来描述相同的虚拟化方法。本文中使用的是最常用的术语，同时给出了其他术语以供参考。

硬件仿真

毫无疑问，最复杂的虚拟化实现就是硬件仿真。在这种方法中，可以在宿主系统上创建一个硬件VM来仿真所想要的硬件

正如您所能预见的一样，使用硬件仿真的主要问题是速度会非常慢。由于每条指令都必须在底层硬件上进行仿真，因此速度减慢100倍的情况也并不稀奇。若要实现高度保真的仿真，包括周期精度、所仿真的CPU管道以及缓存行为，实际速度差距甚至可能会达到1000倍之多。

硬件仿真也有自己的优点。例如，使用硬件仿真，您可以在一个ARM处理器主机上运行为PowerPC?设计的操作系统，而不需要任何修改。您甚至可以运行多个虚拟机，每个虚拟器仿真一个不同的处理器。

完全虚拟化

完全虚拟化（full virtualization），也称为原始虚拟化，是另外一种虚拟化方法。这种模型使用一个虚拟机，它在客户操作系统和原始硬件之间进行协调（参见图3）。"协调"在这里是一个关键，因为VMM在客户操作系统和裸硬件之间提供协调。特定受保护的指令必须被捕获下来并在hypervisor中进行处理，因为这些底层硬件并不由操作系统所拥有，而是由操作系统通过hypervisor共享。

虽然完全虚拟化的速度比硬件仿真的速度要快，但是其性能要低于裸硬件，因为中间经过了hypervisor的协调过程。完全虚拟化的最大优点是操作系统无需任何修改就可以直接运行。惟一的限制是操作系统必须要支持底层硬件（例如PowerPC）。

超虚拟化

超虚拟化（paravirtualization）是另外一种流行的虚拟化技术，它与完全虚拟化有一些类似。这种方法使用了一个hypervisor来实现对底层硬件的共享访问，还将与虚拟化有关的代码集成到了操作系统本身中（参见图4）。这种方法不再需要重新编译或捕获特权指令，因为操作系统本身在虚拟化进程中会相互紧密协作。

正如前面介绍的一样，超虚拟化技术需要为hypervisor修改客户操作系统，这是它的一个缺点。但是超虚拟化提供了与未经虚拟化的系统相接近的性能。与完全虚拟化类似，超虚拟化技术可以同时支持多个不同的操作系统。

操作系统级的虚拟化

我们要介绍的最后一种技术是操作系统级的虚拟化，它使用的技术与前面所介绍的有所不同。这种技术在操作系统本身之上实现服务器的虚拟化。这种方法支持单个操作系统，并可以将独立的服务器相互简单地隔离开来。

操作系统级的虚拟化要求对操作系统的内核进行一些修改，但是其优点是可以获得原始性能。