全虚拟化和半虚拟化（转）

Posted 2020-10-05 泉水叮~咚

CPU通过Ring级别进行访问控制的。Ring0是最高级别，Ring1、Ring2、Ring依次降低。

以Linux X86为例，操作系统（内核）的代码运行在Ring0上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问控制等。

应用程序的代码运行在最低级别Ring3上，不能做受控操作。如果需要访问磁盘、写文件，需要通过执行系统调用（函数），执行系统调用时，CPU的运行级别从Ring3到Ring0依次切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，由内核完成设备访问，之后再从Ring0返回Ring3，实现用户态和内核态的切换。

基于二进制的全虚拟化：

 

因为宿主操作系统工作在Ring0，客户操作系统不能运行在Ring0，当客户操作系统执行特权指令时，就会发生错误。

虚拟机管理程序（VMM）就是负责客户操作系统和内核交互的驱动程序，运行在Ring0上，以驱动程序的形式体现（驱动程序工作在Ring0，否则不能驱动设备）。

当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），VMM捕获这个异常，在异常处做翻译、模拟，返回处理结构到客户操作系统内。客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。

通过复杂的异常处理过程，性能损耗比较大。

 

半虚拟化（准虚拟化）：

通过修改客户操作系统代码，将原来在物理机上执行的一些特权指令，修改成可以和VMM直接交互的方式，实现操作系统的定制化。

半虚拟化技术XEN，就是通过为客户操作系统定制一个专门的内核版本，和X86、MIPS、ARM这些内核版本等价。

这样，就不会有捕获异常、翻译和模拟的过程，性能损耗比较少。

这也是XEN这种半虚拟化架构的优势，也是为什么XEN只支持Linux的虚拟化，不能虚拟化Windows的原因（微软不开源）。

 

基于硬件辅助的全虚拟化：

随着CPU厂商开始支持虚拟化，以X86 CPU为例，推出了支持Intel-VT的CPU，有VMX root operation和VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持CPU运行的四个级别。

这样，VMM可以运行在root operation模式下，客户操作系统运行在non-root operation模式下。

通过硬件层做出区分，这样，在全虚拟化技术下，有些依靠“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在不断加大，靠硬件辅助的虚拟化技术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的优势，全虚拟化技术应该是未来的发展趋势。

 

全虚拟化技术：KVM、VMWare等。

半虚拟化技术：XEN等。

XEN是最典型的半虚拟化技术，不过随着全虚拟化的不断壮大，现在XEN也支持硬件辅助全虚拟化。

 

From：http://www.cnblogs.com/xusongwei/archive/2012/07/30/2615592.html

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