考研笔记

虚拟机

1.1.3 讲过操作系统的”虚拟”特征——把一个物理实体变为若干逻辑上的对应物。本章前面见到的虚拟都发生在操作系统内部：虚拟处理器、虚拟存储器。

这一节把”虚拟”这个动作用到了操作系统自己身上：把一台物理机器虚拟成多台，让每一台上面都能跑一个完整的操作系统。

机制

虚拟机的基本概念

虚拟机使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。

实现这件事的软件称为虚拟机管理程序（VMM，也称 Hypervisor），它负责把物理的 CPU、内存、I/O 设备分配并映射给各台虚拟机，同时保证各台虚拟机之间互相隔离。

关键难点在于特权指令：虚拟机里运行的操作系统自认为自己在内核态，会去执行关中断、改页表这类特权指令。但它实际上并不能真的执行——若真让它关了物理机的中断，其余虚拟机就全完了。VMM 必须把这些指令截获下来，用软件模拟出”好像执行成功了”的效果。

两类虚拟机管理程序

划分依据是：VMM 直接运行在硬件上，还是运行在一个宿主操作系统之上。

第一类 VMM——直接运行在硬件上，它自己就承担着物理资源管理的职责，相当于一个专门为虚拟化定制的操作系统。

第二类 VMM——运行在宿主操作系统之上，它对物理资源的访问必须通过宿主操作系统的服务来完成。

两类的全部差异都可以从这一条推出来：

对物理资源的控制权：第一类直接控制；第二类需要通过宿主操作系统获得。

资源分配方式：第一类下虚拟机可以独占物理资源；第二类下必须与宿主操作系统共享。

性能：第一类高（少了一层转发）；第二类低（每次都要过宿主操作系统）。

可支持的虚拟机数量：第一类多；第二类少（宿主操作系统自己也要占资源）。

可迁移性：第一类低；第二类高——第二类的虚拟机就是宿主系统上的一组文件，复制走就能在另一台机器上跑。

运行模式（教材的简化模型）：第一类 VMM 掌握最高控制权限，客户操作系统受到 VMM 的控制；第二类 VMM 部分运行在用户态、部分运行在内核态（它通常需要装一个内核模块来获得必要的特权）。现代硬件虚拟化不能简单套成“VMM 在 Ring 0、客户 OS 一律降到 Ring 3”；408 区分两类时，优先看是否建立在宿主操作系统之上。

拓展：常见产品与普通 OS 的区别

这部分用来帮助理解，做题仍以“直接建立在硬件上 / 建立在宿主 OS 上”为首要判据。 分类的是 VMM，不是把“虚拟机”本身分成两种。

产品通常归类记忆理由
VMware ESXi第一类 VMM直接安装在裸机硬件上
VMware Workstation / Fusion第二类 VMM运行在 Windows、Linux 或 macOS 等宿主 OS 之上
VirtualBox第二类 VMM依赖宿主 OS；有内核驱动，不等于纯用户态程序
KVM通常归为第一类 VMM让 Linux 内核本身承担 Hypervisor 的功能，不能只因“有 Linux”就判为第二类

“VMware”是产品家族名称，不能不看具体产品就一概分类。 KVM 常与 QEMU 配合使用，知道“内核中的 KVM 负责核心虚拟化、用户态 QEMU 提供设备模拟等功能”即可，不必展开实现细节。产品分类参考：VMware：Hypervisor 分类、Red Hat：KVM。

第一类 VMM 与普通操作系统都能直接管理硬件，但主要服务对象不同：

  • 普通 OS：硬件 → OS → 应用程序，主要为进程/应用提供运行环境。
  • 第一类 VMM：硬件 → VMM → 多个客户 OS → 各自的应用，主要为虚拟机提供虚拟硬件并实现隔离。

408 记住边界即可：运行位置决定分类，不是“用户态还是内核态”决定分类。 “第一类掌握最高控制权限”是教材层面的概括；第二类也可以含内核态组件。硬件虚拟化的具体执行模式不在这里展开。

边界

系统虚拟机与进程虚拟机

除了按 VMM 位置分类，还可以按”虚拟出来的是什么”来分：

系统虚拟机虚拟出一台完整的计算机硬件环境，上面可以运行一个完整的客户操作系统。VMware、VirtualBox、KVM 属于这一类。

进程虚拟机只为单个程序提供运行环境，它虚拟的不是硬件，而是一套指令集与运行时。JVM 是最典型的例子——Java 程序运行在 JVM 之上，而 JVM 本身只是宿主操作系统上的一个普通进程。

判据：上面能不能跑一个完整的操作系统。

虚拟机不等于仿真器

两者都能让”本来跑不了的东西跑起来”，但代价和原理不同。

虚拟化的前提是客户机与宿主机的指令集相同——绝大多数指令由物理 CPU 直接执行，只有少数特权指令需要 VMM 截获处理。因此性能损失有限，且通常依赖硬件的虚拟化支持。

仿真（emulation）则是逐条翻译不同体系结构的指令——在 x86 机器上模拟 ARM，每一条 ARM 指令都要用若干条 x86 指令去模拟。它能跨体系结构，但开销大得多。

判据：指令是”直接执行”还是”被翻译”。

虚拟化与操作系统的”虚拟”是同一个思想的两个层次

这一条能把本章前后串起来：

操作系统的虚拟是”把一台机器虚拟给多个进程”——每个进程都以为自己独占了 CPU（虚拟处理器）和一大片内存（虚拟存储器）。

虚拟机的虚拟是”把一台机器虚拟给多个操作系统”——每个操作系统都以为自己独占了整台物理机。

两者的手段也是同构的：操作系统靠特权级拦住用户程序的越权操作；VMM 靠更高一级的特权拦住客户操作系统的越权操作。 本质上是同一招用了两次。

虚拟机的代价

隔离和复用不是免费的：需要虚拟化 CPU、内存和 I/O 资源，其中 I/O 虚拟化是最常见的性能瓶颈——每一次 I/O 都要经过 VMM 的转发。

因此实际系统中常用”设备直通”把某个物理设备整个交给一台虚拟机，绕开转发。这实际上是放弃了这台设备的复用，换取性能——又一次是”共享与效率”的权衡。

对照速查

第一类 VMM第二类 VMM
位置直接运行在硬件上运行在宿主操作系统之上
对物理资源的控制权直接控制通过宿主操作系统获得
资源分配虚拟机可独占物理资源与宿主操作系统共享
性能高低
可支持的虚拟机数量多少
可迁移性低高
运行模式（教材概括）掌握最高控制权限，控制客户 OS部分用户态、部分内核态
系统虚拟机进程虚拟机
虚拟出什么完整的硬件环境单个程序的运行环境
能否跑完整 OS能不能
例子VMware、VirtualBox、KVMJVM
虚拟化仿真
指令绝大多数由物理 CPU 直接执行逐条翻译
能否跨体系结构不能能
开销小大

考点

  • 第一类 VMM 直接运行在硬件上，第二类运行在宿主操作系统之上——所有差异由此推出
  • 六项对比中最易错的是可迁移性：第一类低、第二类高（与性能恰好相反）
  • 系统虚拟机 vs 进程虚拟机：判据是能否运行完整的客户操作系统；JVM 是进程虚拟机
  • 虚拟化 ≠ 仿真：判据是指令直接执行还是被翻译
  • VMM 必须截获客户操作系统的特权指令，这是虚拟化的核心难点
  • I/O 虚拟化是常见的性能瓶颈，设备直通以放弃复用换性能

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