第三章 虚拟化概述（处理器虚拟化）
一、指令模拟
处理器虚拟化的关键在于正确的模拟指令行为，其中涉及到三个概念：虚拟寄存器、上下文和虚拟处理器。
虚拟寄存器
从某种程度上说，物理处理器无非包括了一些存放数据的物理寄存器，并且规定了使用这些寄存器的指令集。程序代码就是物理处理器按照一段预先写好的指令流，在给定时间点使用给定的部分物理寄存器来完成某种目的。
在没有虚拟化的环境中，操作系统直接访问物理寄存器，处在最高级权限，可以控制系统中的所有关键资源，包括寄存器、内存和I/O外设。而当虚拟机接管物理处理器之后，操作系统运行在非最高级权限后，其试图访问关键资源的指令就成为了敏感指令。虚拟机会使用各种手段，保证敏感指令的执行能够触发异常，从而陷入到虚拟机中进行模拟，防止对虚拟机运行的破坏。
所以，当客户机操作系统试图访问关键资源的时候，该请求不会真正发生在物理寄存器上。相反，虚拟机会通过准确的模拟物理处理器的行为，将其访问定位到虚拟机为其设计与物理寄存器对应的虚拟寄存器上。当然，从虚拟机的实现上来说，这样的虚拟器往往是在内存中。
上下文
在没有虚拟化的环境中，操作系统直接负责物理处理器管理，负责进程间调度和切换。但当虚拟机接管物理处理器之后，操作系统运行在虚拟机为其设计的虚拟处理器上，并在虚拟处理器上负责该操作系统内进程间调度和切换。虚拟机管理物理处理器，负责虚拟处理器的调度和切换。
不管何种调度切换，必然要涉及到保留现场，这个现场就是上下文状态。只不过，对于操作系统而言是进程上下文，对于虚拟机而言是虚拟处理器上下文。（程序运行在操作系统上以进程的形式存在，操作系统运行在虚拟机上以虚拟处理器的形式存在。虚拟机不关心虚拟处理器上运行的是操作系统还是其他的什么代码，它面对的运行单元室虚拟处理器，它只负责虚拟机理器的上下文正确。而操作系统也一样，它不管进程运行的是代码有没有longjmp，有没有信号处理程序，它只负责进程上下文正确）
虚拟处理器上下文比进程上下文更负责，因为客户操作系统本身包含许多敏感指令，会试图访问和修改物理处理器上定义的所有寄存器，而这种访问和修改会被虚拟机重定位到虚拟处理器上。所以，对于虚拟处理器，其上下文包括了更多的系统的寄存器，上下文的保存和恢复也更为复杂。（曾经看过Linux和Fiasco内核中对虚拟化的支持，有大量的数据结构定义了物理处理器定义的寄存器，通用的系统的杂的。当然，不是全部的，因为操作系统一般不会使用全部的指令和寄存器。所定义的，也只是物理处理器定义的所有寄存器的子集）
虚拟处理器
虚拟处理器是一个逻辑上虚拟机的概念，而不是物理的概念，可分别从客户操作系统和虚拟机去看待理解它。
客户操作系统角度：要求虚拟处理器与其”期望“的物理处理器一致的功能和行为。典型的”期望“包括：
1、指令集合和执行效果
2、可用寄存器集合，系统的通用的
3、运行模式（运行模式决定了指令执行效果、寻址宽度与限制、保护粒度等）
4、地址翻译系统
5、页保护机制
6、中断/异常机制
虚拟机角度：虚拟处理器是需要模拟完成的一组功能集合。虚拟处理器的功能可以由物理处理器和虚拟机共同完成。对于非敏感指令，物理处理器直接解码处理，并将相关结果直接反应到物理寄存器上；而对于敏感指令，虚拟机负责陷入再模拟，并将相关结果反应到虚拟寄存器上。从程序角度出发，虚拟机陷入再模拟的这部分也就是一组数据结构（虚拟寄存器）和相关处理代码（模拟指令）的集合。
概括来讲，虚拟机利用了处理器的保护机制来完成的，其宗旨是让敏感指令能陷入虚拟机中被模拟执行，而不是直接作用在真实硬件上。它有以下几种方式：
1、基于处理器的保护机制出发的异常
2、主动触发异常
3、异步中断
二、中断和异常的模拟及注入
异常保证了系统程序对处理器关键资源的绝对控制，而中断提供了与外设之间更有效的一种交互模式。所以，虚拟机在实现虚拟机处理器时，必须正确模拟中断与异常的行为。
异常模拟及注入
虚拟机对异常的虚拟化需要安全遵照物理处理器对于各种异常条件的定义，根据虚拟处理器当前的内容，来判断是否需要模拟一个虚拟异常，并注入到虚拟环境中。
虚拟机通常会在异常处理程序和指令模拟代码中进行异常虚拟化检查。虚拟机需要区分两种情况：
1、虚拟机异常。虚拟机自身对运行环境和上下文的设置违背了指令正确执行的条件。
2、客户代码异常。客户代码运行在非最高特权级，由于虚拟化原因触发的异常。
第二种情况是由于陷入再模拟的虚拟化方式所造成的，并不是虚拟机本身的行为。
中断模拟及注入
物理中断的触发来源于特定的物理中断源，同样，虚拟中断的触发来自于虚拟设备的模拟程序。当设备模拟器发现虚拟设备状态满足中断产生的条件，会将这个虚拟中断通知给中断控制器的模拟程序。虚拟机会在特定的时候检测虚拟中断控制器的状态，来决定是否模拟一个中断的注入。
不管怎样，当虚拟机决定向虚拟机注入一个中断或是异常时，它还需要严格模拟物理处理器的行为来改变客户指令流的路径，而且还要包括一些必需的上下文保护与恢复。
中断/异常的虚拟化由中断/异常源定义，中断/异常源与虚拟机处理器虚拟化模块间的交互机制以及最终模拟注入的过程组成。
（以前看Fiasco代码时，里面对中断的模拟就有chip数据结构。当时对中断虚拟化了解不多，对x86中断过程了解不够彻底，导致我总以为这部分代码是多余的，哈哈）
三、对称多处理器技术的模拟
虚拟机也可以为客户操作系统提供多个虚拟处理器，也就是客户对称多处理器虚拟化技术，客户操作系统与虚拟机按照自己的逻辑管理虚拟处理器。
在客户对称多处理器引入后，虚拟机面临着物理处理器以及虚拟处理器之间的同步问题。（同步锁问题，而不是内存的硬件同步，其实仔细想想，内存的硬件同步问题在这个环境中不存在）
1、对于发生在虚拟机上的同步问题，由虚拟机负责协调物理处理器之间同步问题。
2、对于发生在客户操作系统上的同步问题，虚拟机并不参与。只需要在客户操作系统发起某些特权同步操作，如刷新页表，清理cache时，正确的模拟其效果即可。
3、对于虚拟机造成的虚拟处理器之间的同步问题，仍需要虚拟机来负责。比如，当N个虚拟处理器，运行在M（N<M）个物理处理器上时，虚拟机需要负责所有M个物理处理器上的状态同步。（我理解的就是，虚拟处理器可能迁移到不同的物理处理器上，其cache不一样可能导致遗留，复用垃圾）
客户对称多处理技术需要模拟一套初始化及通信机制，以便让客户操作系统能正确的识别并管理虚拟处理器。这套方式甚至可以自定义一套简单的协议，但必须修改客户操作系统代码以适应。
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