[OS] 虚拟化

1. 抽象与接口

管理计算机系统复杂性的关键是通过一些定义明确的接口，把计算机系统划分成不同的抽象层次。抽象层次允许忽略或简化系统设计的底层实现细节，从而简化高层组件的设计。

明确的接口可以分解计算机的设计任务，使得硬件和软件设计能够或多或少的独立开展工作。指令集就是这样一个接口。例如，Intel和AMD的设计工程师开发实现IA-32指令集（x86）的微处理器，同时微软的软件工程师开发把高级语言映射到该指令集的编译器。只要这两个设计小组都能够遵从该指令集的规范定义，编译好的软件就可以在由IA-32处理器组成的机器上正确执行。操作系统接口被定义为一组函数调用的集合，是计算机系统中另一个重要的标准化接口。

2. 虚拟化

当一个系统（或子系统），例如处理器，存储器或IO设备被虚拟化，它的接口和所有通过接口可见的资源都被映射到实现它的真实系统的接口和资源上。从而，真实系统可以表现为一个不同的虚拟系统或多重虚拟系统的集合。

形式上，虚拟化是构建一个将虚拟的客户系统映射到真实的主机系统上的同态。这个同态将客户机的状态映射为主机的状态，对于修改客户机状态的操作序列，在主机上也有相应的操作序列，在主机上执行对主机状态等价的修改。

虽然这样的同态可以同时用来描述虚拟化和抽象，但我们要加以区分：虚拟化不同于抽象，虚拟化不需要隐藏细节；虚拟系统的细节通常与底层真是系统的细节相同。

3. 虚拟机

虚拟机（VM）通过在真实机器上增加一层软件来支持所需实现的虚拟机体系结构。从发展趋势上说，对虚拟机的讨论也就是从广义上对计算机体系结构的讨论。虚拟机通常是连接体系结构边界的纽带，构建虚拟机要考虑的一个主要问题是虚拟机在实现体系结构接口时的保真性。

形式上，体系结构通常由接口规范和接口操纵的资源的逻辑行为来描述。术语“实现”则用于描述具体的体系结构。每种体系结构都可以有多种实现，每种实现都可以有不同的特征，如高性能和低功耗的实现。

指令集体系结构（instruction set architecture，ISA），是软件和硬件的边界，有两个部分在定义虚拟机时是很重要的。第一部分是指令集体系结构中应用程序可见的部分，成为用户指令集（user ISA）。第二部分是只有像操作系统这样的超级用户软件才能看到的部分，负责管理硬件资源，这部分称为系统指令集（system ISA）。

指令集以外接口的例子，应用二进制接口（ABI），应用程序接口（API）。
ABI为程序提供了访问硬件资源和使用系统服务的能力，包括两个主要组件。第一个组件是所有用户指令的集合，第二个组件是系统调用接口。ABI中不包括系统指令，所有应用程序通过系统调用接口调用操作系统，使操作系统可以为用户程序执行一些功能。编译到特定ABI的程序二进制代码不需要修改就可以在带相同指令集的操作系统的机器上运行。
API通常用高级语言（High-level Language: HLL）定义。API的一个关键部分是标准库，应用程序需要通过库调用系统中各种可用的服务，包括操作系统提供的服务。API通常在源代码级上定义，使得被写入API的应用程序很容易（通过再编译）移植到支持相同API的系统上。

4. 机器

要理解“虚拟机”，首先要讨论“机器”的定义。
从执行用户程序的进程角度看，“机器”由分配给进程的逻辑内存地址空间，用户级寄存器和允许执行进程代码的指令组成。机器的IO部分只能通过操作系统看到，进程与IO系统交互唯一的方法是通过操作系统调用，通常是将系统库函数作为进程的一部分来执行。总的来说，从进程的角度来看，机器由操作系统与底层的用户级硬件组合组合而成，ABI提供了进程与机器之间的接口。
从操作系统的角度来看，整个系统由底层机器支撑。一个系统是一个完整的运行环境，可以同时支持许多可能属于不同用户的进程，所有进程共享一个文件系统和其他IO资源。进程不断的进进出出，系统环境始终存在（偶尔会重启）。系统为进程分配物理内存和IO资源，允许进程通过操作系统与分配给他们的资源交互，操作系统是系统的一部分。因此，从系统的角度看，机器仅由底层硬件实现，指令集提供了系统和机器之间的接口。

术语上，我们通常将底层平台称为主机，将运行在虚拟机环境上的软件称为客户机，与虚拟机相对应的真实平台，即虚拟机要仿真的真实机器，称为本地机。

5. 进程级和系统级虚拟机

对机器可以从进程和系统的角度去理解，相应的也就有进程级和系统级虚拟机。

一台 进程虚拟机能够支持一个独立的进程，在进程虚拟机中，虚拟软件放在ABI接口处，操作系统和硬件结合部分的上层，虚拟软件同时仿真用户级指令和操作系统调用。在进程虚拟机中，虚拟软件经常被称为运行时。进程级虚拟机为用户应用程序提供虚拟的ABI环境。

系统虚拟机提供完整的系统环境，这个环境可以支持操作系统及其潜在的许多用户进程。它使客户操作系统能够访问底层的硬件资源，包括网络，IO，以及台式机上的显示和图形用户界面。在系统虚拟机中，虚拟软件常常被称为虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor: VMM）。系统虚拟机提供一个完整的系统环境，在这个环境里属于多个用户的许多进程可以共存。

6. 分类

为了把各种虚拟机放在一个视角中讨论，把它们的共同实现点组织起来，我们引入了如图所示的分类方法。首先，将虚拟机分为两个主要类型，进程虚拟机和系统虚拟机。第一类虚拟机支持一个ABI——用户指令加上系统调用；第二类支持完整的ISA——包括用户指令和系统指令。在这个分类法中更细的划分基于客户机与主机是否使用了相同的ISA。

参考：

虚拟机 : 系统与进程的通用平台