虚拟化技术 - 概览 [一]

虚拟化的含义很广泛，将任何一种形式的资源抽象成另一种形式的技术都是虚拟化技术，比如进程的虚拟地址空间，就是把物理内存虚拟成多个内存空间（参考这篇文章）。相对于进程级的虚拟化，虚拟机是另外一个层面的虚拟化，它所抽象的是整个物理机，包括CPU、内存和I/O设备。

在一台物理机上可以模拟出多台虚拟机（Virtual Machine，简称VM），每个虚拟机中都可以运行一个操作系统（OS）。提供虚拟化的平台被称为VMM(Virtual Machine Monitor)，在其上运行的虚拟机被称为guest VM（客户机）。根据VMM支持的虚拟机制的不同，guset VM的运行模式可分为完全虚拟化（Full Virtualization）和类虚拟化（Para Virtualization）。

【完全虚拟化】

如果一个基于硬件运行（native）的OS不需要修改任何代码就可以直接跑在VMM上，也就是guest OS根本感知不到自己运行在一个虚拟化环境中（可以说VMM是骗术高明的），这种就被称为“完全虚拟化”。在这种模式下，VMM需要正确处理guest所有可能的指令。

最简单直接的方法就是，VMM对guest运行过程中的每一条指令都进行解释和执行，模拟出这条指令执行的效果，这种方法既适用于和VMM相同体系结构的guest，也能用于模拟和VMM不同体系结构的guest（比如物理CPU是x86的，而guest是基于ARM的），其缺点也很明显，就是性能太差。

有一些指令是要操作特权资源的，比如修改虚拟机的运行模式或者下面物理机的状态，读写时钟或者中断寄存器，这些指令被称为敏感指令，确实不适合由guest直接来控制。

然而其他的一些非敏感指令，是完全可以在物理CPU上直接执行并返回结果给guest的，VMM只需要截获并模拟guest对敏感指令的执行和对特权资源的访问就可以了，以intel的VT-x和AMD的AMD-V为代表的硬件辅助虚拟化技术，就可以帮助VMM高效地识别和截获这些敏感指令。

【类虚拟化】

像x86这种CISC架构的系统，指令繁杂，其中一些指令是难以虚拟化的，如果使用完全虚拟化，就需要通过二进制代码翻译（binary translation），扫描并修改guest的二进制代码，将难以虚拟化的指令转换成支持虚拟化的指令（ABI级），就像打补丁一样。

如果能直接修改guest的操作系统内核代码（API级），就可以使得内核避免产生这些难以虚拟化的指令，这就是“类虚拟化”。类虚拟化技术需要修改直接基于native运行的OS代码，以便和VMM更好的配合，其好处就是guest的运行性能可以接近物理机的性能。

【主流模型】

当前主流的虚拟化技术的实现架构可分为三类：

1. Hypervisor模型

在hypervisor模型中，VMM是一个完备的操作系统，它除了具备传统操作系统的功能，还具备虚拟化功能。包括CPU、内存和I/O设备在内的所有物理资源都归VMM所有，因此VMM不仅要负责虚拟机环境的创建和管理，还承担着管理物理资源的责任。

这种方式是比较高效的，然而I/O设备种类繁多，管理所有设备就意味着大量的驱动开发工作。在实际的产品中，厂商会根据产品定位，有选择的支持一些I/O设备，而不是对所有的I/O设备都提供支持。

2. Host模型（宿主机）

在host模型中，物理资源由host OS管理，host OS是传统操作系统（比如Linux），这些传统操作系统并不是为虚拟化而设计的，因此本身并不具备虚拟化功能，实际的虚拟化功能由VMM来提供。

VMM作为host OS中一个独立的内核模块，通过调用host OS的服务来获得资源，实现CPU、内存和I/O设备的虚拟化。VMM创建出虚拟机之后，通常将虚拟机作为host OS的一个进程参与调度。

Host模型最大的优点就是可以充分利用现有操作系统的设备驱动程序，VMM不需要为各种I/O设备重新实现驱动，可以专注于物理资源的虚拟化；缺点在于，由于VMM是借助host OS的服务来操作硬件，而不是直接操作硬件，因此受限于host OS服务的支持，可能导致硬件利用的不充分。

从架构上看，由Qumranet公司开发的KVM（Kernel-based Virtual Machine）就是属于host模型的，kernel-based，顾名思义就是基于操作系统内核。KVM于2007年被集成到Linux内核2.6.20版本，并于2008年被Red Hat收购。

随着越来越多的虚拟化功能被加入到Linux内核当中，Linux已经越来越像一个hypervisor了，从这个角度看，KVM也可以算是hypervisor模型了。

3. 混合模型

在混合模型中，VMM依然位于最底层，拥有所有的物理资源，但为了利用现有操作系统的I/O设备驱动程序，VMM会将大部分的I/O设备交由一个运行在特权级别的虚拟机操作系统（Service OS）来处理，自己则主要负责CPU管理和内存管理。

混合模型可以说是结合了上述两种模型的优点，既不需要另外开发I/O设备驱动程序，又可以通过直接控制CPU和内存实现对这些物理资源的充分利用，以提高效率。

但它也是存在缺点的，当来自guest OS的I/O请求发送到VMM后，VMM需要将这些请求转发到service OS，这无疑增加了上下文的开销。混合模型的代表有Xen，Intel最近推出的Acrn，以及我国工程师写的minos。

上面介绍的这三种VMM实现模型和全虚拟化/类虚拟化的guest VM之间并没有直接的对应关系，比如Xen就既可以支持类虚拟化的guest VM，也可以支持全虚拟化的guest VM。

还有一种划分方法是将VMM分为基于bare-metal的type-1和基于OS的type-2，从这个角度划分的话，hypervisor模型和混合模型都是属于type-1的，host模型则是属于type-2的【1】。

下文将介绍这几种虚拟化技术在x86和ARM平台上的具体实现。

注【1】：这里区分两个名词 - hypervisor和VMM，hypervisor通常仅用于表达type-1的VMM，所以在接下来的《虚拟化技术》系列文章中，除非是仅讨论Xen/Acrn这种确定的type-1的虚拟化平台时，才会使用hypervisor一词，其他时候都统一称为VMM。

参考：

《系统虚拟化 - 原理与实现》

原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/69629212

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