Cloudsim 3.0.3中VM调度策略系列类解析（带迁移的策略）

注：本文为旧文的markdown重制版

Cloudsim中VM调度策略类在DataCenter（或PowerDataCenter）创建时需要制定，更是我们在Cloudsim上试验我们的调度算法的核心所在。

CloudSim中给出了VmAllocationPolicy抽象类，还有提供了一个VmAllocationPolicySimple简单调度策略类，其介绍见前一篇关于“无迁移”VM放置策略的blog。

另外，Cloudsim3.0.3中提供了Power系列包（在之前几篇blog中提到的诸如PowerHost, PowerDataCenter等），自然也有对应的Policy类，并且丰富得多。Power系列包里面有三种Policy：

第一种是PowerVmAllocationPolicyAbstract（继承VmAllocationPolicy）及其子类：是没有迁移的调度策略；提供的接口基本与父类VmAllocationPolicy一致，实现并增加了一些方法。

第二种是PowerVmAllocationPolicyMigrationAbstract（本身继承第一种）及其子类：带有VM迁移的调度策略。

第三种是PowerVmSelectionPolicy及其子类：这个selection是指选择“需要迁移”的VM，所以这些类用来在执行VM migration时选择VM。

第一种策略不支持迁移，与与父类VmAllocationPolicy基本上一致，在上一篇blog中介绍了。

本文要介绍带有迁移行为的策略，即第二种；而带迁移的VM调度策略的实现需要vm selection策略的支持（即第三种），所以先介绍第三种——VM selection策略。

（编号续上一篇博客）

3、public abstract class PowerVmSelectionPolicy

继承：无

成员：无

重要方法：

public abstract Vm getVmToMigrate(PowerHost host)：在host主机上找一个合适的VM准备迁移，是抽象方法，在该抽象类中无实现；
protected List getMigratableVms(PowerHost host)：有实现，用来在host上获取可迁移的Vm（必须是PowerVm），可迁移=不处在迁移状态

本文选择一个有代表性的VM selection策略的实现——PowerVmSelectionPolicyMinimumUtilization来介绍

3-a、public class PowerVmSelectionPolicyMinimumUtilization

继承：public abstract class PowerVmSelectionPolicy

增加的成员：无

重要方法：

@Override
public Vm getVmToMigrate(PowerHost host)：首先获取host上可迁移的vm列表，在该列表中遍历vm，最终返回CPU利用率最低的那个vm。

选择完该迁移的VM后，就是要选择目标主机并完成迁移操作，这些内容包含在PowerVmAllocationPolicyMigrationAbstract及其子类中。

4、public abstract class PowerVmAllocationPolicyMigrationAbstract

继承：PowerVmAllocationPolicyAbstract，也就是说分配策略也有所实现

增加的成员：

private PowerVmSelectionPolicy vmSelectionPolicy：采用的VM selection策略
private final List< Map< String, Object>> savedAllocation：存储vm -> host的映射列表
private final Map< Integer, List< Double>> utilizationHistory：
private final Map< Integer, List< Double>> metricHistory：
private final Map< Integer, List< Double>> timeHistory：
private final List< Double> executionTimeHistoryVmSelection：记录vm selection操作的用时
private final List< Double> executionTimeHistoryHostSelection：记录host selection操作的用时

增加的重要方法：

@Override
public List< Map< String, Object>> optimizeAllocation(List< ? extends Vm> vmList)：重载了父类方法，实现VM迁移计划的制定（PowerDC.updateCloudletProcess(…)根据其返回的migrationMap进行实质性的VM迁移操作）。该方法的过程大致是：先调用getOverUtilizedHosts()获取过载的主机，再调用getVmsToMigrateFromHosts(overhosts)从这些过载主机上获取适合被迁出的VM列表，然后调用getNewVmPlacement(vmsToMigrate, overUtilizedHosts）来进行过载主机上上的VM迁移（填写迁移列表migrationMap），再接着调用getMigrationMapFromUnderUtilizedHosts()来进行“过闲”主机上的VM迁移（补充迁移列表migrationMap）；该函数中没有实际迁移VM，没有修改全局的savedAllocation，最终该函数返回迁移列表migrationMap。
protected List< Map< String, Object>> getMigrationMapFromUnderUtilizedHosts(
overUtilizedHosts)：该方法的功能是返回一个migrationMap，是制定从“过闲”主机上迁移VM到其它主机的迁移方案。传入参数是过载主机列表（有点奇怪），但其作用是作为“被排除元素”，即VM不会从上面被迁出（因为该函数只处理“过闲”主机）和迁入（这是自然）。该方法的过程大致是：先建立两个excluded列表（不可迁出列表、不可迁入列表），两个列表都初始化为过载主机+关闭的主机；接下来该方法循环调用getUnderUtilizedHost()方法来获得“过闲”主机对象，并调用getVmsToMigrateFromUnderUtilizedHost(underUtilHost)方法获得该主机上适合迁移的VM对象，再调用getNewVmPlacementFromUnderUtilizedHost(vm, 不可迁入列表)来获得最终的调度方案并加入migrationMap中。值得一提的是，每个“过闲”主机只被处理一次就被放进不可迁出列表，即一台主机只能最多迁出一台VM。
protected abstract boolean isHostOverUtilized(PowerHost host)：看样子是用来判断主机是否过载，是个抽象方法，没有实现
public PowerHost findHostForVm( Vm vm, Set< ? extends Host> excludedHosts)：为vm寻找一个最佳主机，最佳=vm在其上功耗最小=放置vm前后功耗差最小。遍历主机列表时，首先跳过在excludedHosts里的主机以及放置vm会导致过载的主机（利用getPowerAfterAllocation(vm, PowerHost)来判断），遍历完后找到最佳主机并返回。
@Override
public PowerHost findHostForVm(Vm vm)
：通过调用上面的方法来寻找最佳主机。vm现在无主时，等同于上面那个方法；有主时，自然要exclude掉现在的宿主机。
protected boolean isHostOverUtilizedAfterAllocation(PowerHost host, Vm vm)：用来判断vm放置到目标主机是否会导致过载。过程：调用host.vmCreate(vm)在host上创建vm（只创建，无事件），判断是否过载（利用isHostOverUtilized(host)），再调用host.vmDestroy(vm)销毁vm。
protected List extractHostListFromMigrationMap(List< Map< String, Object>> migrationMap)：从传入的migrationMap中提取主机列表；
protected List< Map< String, Object>> getNewVmPlacement( vmsToMigrate,
excludedHosts) ：为传入的VM列表制定放置计划。该方法的大致过程是：先按CPU利用率(in MIPS）降序排列vm列表，然后遍历该vm列表，调用findHostForVm(vm,excludedHosts)获得分配方案。
protected List< Map< String, Object>> getNewVmPlacementFromUnderUtilizedHost( vmsToMigrate,excludedHosts) ：名不副实，该方法与“过闲”主机无关，该方法基本等同于上面那个方法，不过更加科学，增加了一个判断：如果vmsToMigrate中有一个vm放置失败，则取消当前整个放置方案，即不会有副作用。
protectedList< ? extends Vm>
getVmsToMigrateFromHosts(Hosts) ：从指定的hosts列表中获取适合迁出的VM列表，主要就是借助PowerVmSelectionPolicy类。过程是：遍历传入的Hosts列表，调用getVmSelectionPolicy().getVmToMigrate(host)来逐个主机的寻找适合迁出的VM。
protected List< ? extends Vm> getVmsToMigrateFromUnderUtilizedHost(host)：从目标主机（针对过闲的，该想办法关机的）中获取适合迁出的VM，该方法返回host上所有的VM，除了已经在迁移的。
protected List< PowerHostUtilizationHistory> getOverUtilizedHosts()：获取过载主机列表，自然是借助isHostOverUtilized(host）方法（该方法要在子类中实现），这里返回的是PowerHostUtilizationHistory对象列表（其实PowerHost, PowerHostUtilizationHistory都没有增加关于利用率的成员，是HostDynamicWorkload中提供的）。
protected PowerHost getUnderUtilizedHost(Set< ? extends Host> excludedHosts)：返回最闲的那台的主机，排除掉excludedHosts和其上所有VM都处于迁移态的主机。
protected List< PowerHost> getSwitchedOffHosts()：获取关机的主机，判定方法是host.getUtilizationOfCpu() == 0。
protected double getPowerAfterAllocation(PowerHost host, Vm vm)：预估将vm分配给host之后，该host的功耗，是通过调用getMaxUtilizationAfterAllocation(host, vm)先预估利用率，再用powerModel成员来估算得到。
protected double getMaxUtilizationAfterAllocation(PowerHost host, Vm vm)：预估将vm分配给host之后，该host的CPU利用率（%）
protected double getUtilizationOfCpuMips(PowerHost host)：以特殊对待正在迁移的VM的方式计算一台host的CPU占用。先获取host上的VM列表，如果vm是在迁入状态，则它的mips*9，否则mips*1。累加得host的CPU占用(in MIPS）。这里似乎认为迁入十分耗资源，算出来的结果应会远大于host对象调用host.getUtilizationMips()方法。
protected void saveAllocation()：保存当前所有VM->host的映射关系到成员savedAllocation，VM->host的映射信息从各个host对象处读取，正在迁入的VM会被跳过。这个方法在optimizeAllocation()中被调用，用于在getVmsToMigrateFromHosts(overUtilHosts)（该方法会在相应主机销毁vm）之前保存映射。
protected void restoreAllocation()：从成员savedAllocation中提取所有VM->host的映射关系。所以该方法先遍历所有主机销毁所有VM（无事件），为正在迁入的VM分配资源，然后按savedAllocation记录的映射逐条创建VM（无事件）。这个方法在optimizeAllocation()中被调用，用于在getNewVmPlacement（…）（该方法会在相应主机创建VM）之后恢复映射。配合上面那个save函数，两个函数的结合使得optimizeAllocation()对数据中心内的VM分配的修改是无效的（应该是仅用于统计效率），真正完成VM迁移的是optimizeAllocation(）函数返回migrationMap之后，PowerDC.updateCloudletProcessing()发送一个包含migrationMap的事件, 然后根据Cloudsim的那套事件机制最终交由PowerDC.processVmMigrate()方法完成。

Note: 我们在编写VM迁移方面的自定义逻辑时，就是修改optimizeAllocation（）方法的内容，而该方法由相关方法组合而成，包括：

**寻找迁出主机相关方法：**isHostOverUtilized()、getOverUtilizedHosts()、getUnderUtilizedHost()等；

**从迁出主机上选择VM：**getVmsToMigrateFromHosts()、getVmsToMigrateFromUnderUtilizedHost()，同时涉及到PowerVmSelectionPolicy类的二次开发。

**为迁出的VM选择迁入主机：**getNewVmPlacement（vmsToMigrate, excludedHosts）、getMigrationMapFromUnderUtilizedHosts()以及最核心的findHostForVm(vm, excludedHosts)

现在来看PowerVmAllocationPolicyMigrationAbstract的一些子类，这些子类增加内容都较少，因为父类虽然是Abstract，但实现了绝大多数逻辑。有心的同学就会发现，在查找适合迁出的主机时，有个重要的判定方法在父类未实现——isHostOverUtilized()。

所有的子类（比如static_threshold迁移策略、localRegression迁移策略）基本都是重载了 isHostOverUtilized()方法，其它改动很少，这说明CloudSim给出的几个迁移策略主要关注迁出。

下面以static_threshold迁移策略为例：

4-a、public class PowerVmAllocationPolicyMigrationStaticThreshold

继承：PowerVmAllocationPolicyMigrationAbstract

增加成员：private double utilizationThreshold = 0.9; 过载阈值

增加的重要方法：

@Override
protected boolean isHostOverUtilized(PowerHost host)：判定这个host有没有过载。实现方法是遍历host.getVmList()，累加mips然后除以host.getTotalMips()得到主机利用率（其实应该可以直接调用PowerHost的计算CPU利用率的方法），若该值>utilizationThreshold ，则判定超载。