全虚拟化和半虚拟化的区别 cpu的ring0~ring3又是什么概念?

Posted 2021-02-10 xuliangwei

ring0是指CPU的运行级别，ring0是最高级别，ring1次之，ring2更次之……
拿Linux+x86来说，
操作系统（内核）的代码运行在最高运行级别ring0上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。
应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。

那么，虚拟化在这里就遇到了一个难题，因为宿主操作系统是工作在ring0的，客户操作系统就不能也在ring0了，但是它不知道这一点，以前执行什么指令，现在还是执行什么指令，那肯定不行啊，没权限啊，玩不转啊。所以这时候虚拟机管理程序（VMM）就要避免这件事情发生。
（VMM在ring0上，一般以驱动程序的形式体现，驱动程序都是工作在ring0上，否则驱动不了设备）
一般是这样做，客户操作系统执行特权指令时，会触发异常（CPU机制，没权限的指令，触发异常），然后VMM捕获这个异常，在异常里面做翻译，模拟，最后返回到客户操作系统内，客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。但是这个性能损耗，就非常的大，你想想原来，简单的一条指令，执行完，了事，现在却要通过复杂的异常处理过程。

这时候半虚拟化就来了，半虚拟化的思想就是，让客户操作系统知道自己是在虚拟机上跑的，工作在非ring0状态，那么它原先在物理机上执行的一些特权指令，就会修改成其他方式，这种方式是可以和VMM约定好的，这就相当于，我通过修改代码把操作系统移植到一种新的架构上来，就是定制化。所以像XEN这种半虚拟化技术，客户机操作系统都是有一个专门的定制内核版本，和x86、mips、arm这些内核版本等价。这样以来，就不会有捕获异常、翻译、模拟的过程了，性能损耗非常低。这就是XEN这种半虚拟化架构的优势。这也是为什么XEN只支持虚拟化Linux，无法虚拟化windows原因，微软不改代码啊。

可以后来，CPU厂商，开始支持虚拟化了，情况有发生变化，拿X86 CPU来说，引入了Intel-VT 技术，支持Intel-VT 的CPU，有VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 这 4 个运行级别。这下好了，VMM可以运行在VMX root operation模式下，客户OS运行在VMX non-root operation模式下。也就说，硬件这层做了些区分，这样全虚拟化下，有些靠“捕获异常-翻译-模拟”的实现就不需要了。而且CPU厂商，支持虚拟化的力度越来越大，靠硬件辅助的全虚拟化技术的性能逐渐逼近半虚拟化，再加上全虚拟化不需要修改客户操作系统这一优势，全虚拟化技术应该是未来的发展趋势。

XEN是最典型的半虚拟化，不过现在XEN也支持硬件辅助的全虚拟化，大趋势，拗不过啊。。。
KVM、VMARE这些一直都是全虚拟化。