整理一下虚拟化与Linux的学习经历

Posted 2023-02-23

由于工作的原因，需要开始接触虚拟化。正好前几天学了许岑的《如何成为有效学习的高手》，其中建议成年人需要以任务驱动的方式进行学习，并且需要刻意制造反馈，比如把学习内容整理成文章才能更有效的学习，所以尝试写下此文作为学习虚拟化历程的记录。

虚拟化我们都不陌生，平时我们网络工程师或者Linux 运维工程师进行实验的各个平台都用了虚拟化的技术，比如VMware 还有EVE 模拟器等等。但其实我们使用的 Windows 其实也是一种最基础的虚拟化，它是分时复用系统，会将所有硬件进行虚拟化，再硬件资源逻辑化的基础之上，使用分时复用和共享内存功能，所以我们的电脑才能同时处理不同软件的工作。编程领域的 Java 虚拟机其实也是一种虚拟化技术，也是将操作系统资源进行虚拟化，然后 Java 程序就可以方便的移植到其他计算机上了。

广义上来讲，虚拟化就是在一套硬件上同时运行多个OS。虚拟化的实现就是开发出VMM（virtual machine monitor）虚拟机监视程序。最早的发展其实就是 IBM 开发分时系统了，IBM 工程师们通过将 CPU 的占用切分为无数个极短的时间片，然后让每片去执行不同的任务，通过轮询的方式使之伪装成多个 CPU 处理不同的程序，把物理资源逻辑化，以提高利用效率。

不同厂家开发出了不通的虚拟化软件和技术，他们的实现也有所不同。比如VMware 针对个⼈⽤户是VMware Workstation ，针对苹果系统是VMware Fusion，针对企业⽤户是VMware vSphere+VMware vCenter。Linux大厂 RedHat 使用的是（QEUM-KVM）kernel-based virtual machine 和QEUM。微软开发的是 hyper-V 运用在自家的 windows 系统上，厂家Citrix开发的是 Xen，这家和其他厂家不太相同，是一种半虚拟化技术。

在虚拟化中，物理机提供物理资源，再上一层是 Hypervior/VMM 也就是宿主机，由他分成不同的客户机 OS1，OS2，OS3......

虚拟化模式下有两种指令，特权指令和敏感指令。顾名思义，特权指令是操作和管理关键系统资源的指令，只有在最高特权级才能正确运行，如果在非最高特权级运行，特权指令会引发一个异常，处理器可能会陷入最高特权级，交由系统软件进行处理。敏感指令，是操作特权资源的指令，其中包含修改虚拟机的运⾏模式或者下⾯物理机的状态；读写时钟、地址重定位系统及所有的I/O指令、中断等寄存器；访问存储保护系统等等。通过对比可以得出特权指令比敏感指令等级更高。当 guest OS 执⾏特权指令的时候，VMM会捕捉到异常，对 guest OS 执⾏的特权指令进⾏特权降级，然后进行模拟，通过模拟的⽅式实现 guest OS 需要实现的操作。

需要注意的是由于X86架构的CPU，敏感指令并不完全是特权执⾏，有些敏感指令对于VMM来说是捕捉不到的，所以⽆法进⾏特权降级然后陷⼊模拟，所以由于X86架构的CPU的这种情况，⽆法实现虚拟化的全部功能。

但如何解决X86架构的虚拟化实现呢，VMware给出了他们的技术方案，那就是通过二进制翻译（BinaryTranslation）。X86硬件虚拟化诞生也就十多年，但VMware已经成立了二十多年了，BT技术的历史也早已超过硬件虚拟化的历史，所以这是一项成熟到有些过时的技术了。BT技术包含了二进制代码翻译技术还有优先级压缩技术，他们的共用实现了让虚拟监视器和客户机可以运行在不同的特权级，实现Guest OS 的核心指令通过虚拟监视器的捕获和模拟来执行，实现客户操作系统需要做的操作。由于纯软件的实现⽅式导致效率极低，速度慢，所以又有了半虚拟化技术。半虚拟化采用了 Hypercall 技术，guest os 部分的代码被改变，使它会将特权指令的草案中都转还给 VMM 的 Hypercall，由 VMM 继续处理，使 guest os 知道自己运行在1环而不是0环，有效的避免了虚拟化的执行冲突问题。半虚拟化有一项优点，那就是效率高，但缺点是他无法虚拟化Windows，因为Windows不能修改代码。

本片介绍了虚拟化的概念还有各个厂家对虚拟化的不同技术实现，下一篇会持续介绍Linux 虚拟化技术 KVM 的安装和使用等。