容器与虚拟机本质区别及虚拟化技术分级

1.虚拟化技术层级分类

1.1硬件级虚拟化

在这一级别中，常见的就是虚拟内存，和虚拟机VMM(Hypervisor)。

虚拟内存：在操作系统的请求分页机制，和硬件MMU基础之上构建出虚拟内存，为每一个进程虚拟出相同大小的虚拟内存空间，让每一个进程都误以为自己拥有整片RAM内存空间。

虚拟机：用软件虚拟出CPU，RAM，I/O设备等，并在这之上安装操作系统。

Q：为什么需要Hypervisor？
A：本质上是因为虚拟机中的操作系统（GuestOS）并不具备使用ISA中特权指令的能力，但是安装在GuestOS上的应用在陷入到内核态（GuestOS的内核态）时，需要调用到HostOS才能使用的特权指令去完成诸如读写I/O设备，切换进程等。因此一旦发生这种情况时，需要Hypervisor来截断这条指令，并由Hypervisor陷入内核态请求HostOS提供服务，服务完成后，再告知GuestOS执行结果。

Q：虚拟机内存如何虚拟化？
A：因为给GuestOS虚拟出来了一个虚假的RAM，和虚假的MMU，但实际存储内容的地方只有宿主机上真实的物理内存。运行在GuestOS上的进程，使用GuestOS的虚拟访存地址去访问虚拟RAM，在这个过程中，GuestOS的VA（visual address）会被虚拟MMU转换为物理机的VA，然后再由物理MMU转换为实际物理地址（PA）最后访存。

当运行在GuestOS上的进程请求一片连续的内存地址时，因为这是一个特权指令，因此将会被Hypervisor截获，然后由Hypervisor代替GuestOS去申请实际的物理地址。申请到的实际物理地址，首先会被HostOS映射成虚拟地址返回给Hypervisor，然后Hypervisor再将该虚拟地址交付给GuestOS。由于在GuestOS眼中，这段虚拟地址被认为物理地址，因此GuestOS还要将该地址再次映射为GuestOS中的虚拟地址，最后交付给GuestOS中的进程。

1.2操作系统级虚拟化

在这一级别中，常见的就是容器。通过系统内核向上提供多个相互隔离的用户态，使得每一个容器都认为自己独占整个操作系统，因为各个共享之间共享操作系统所提供的服务，没有安装GuestOS因此效率远高于虚拟机。

Q：如何实现多用户态？
A：don’t know

Q：容器中的进程如何使用特权指令？
A：当HostOS被多个容器共享时，（推测）containerD（容器的supervisor）应采用某种策略，依次让容器享用HostOS所提供的服务。

Q：容器中进程如何访存？
A：因容器只是多用户态，并没有像虚拟机一样虚拟出MMU。因此容器中的进程访存同单用户态下的情况一样。Cpu送出VA至物理MMU，后物理MMU翻译成PA访问物理内存。

1.3库函数层上虚拟化

具体原理就是适配器模式，例如使用linuk模拟出windos的库函数接口，这就使得win程序可以不加修改的就能够运行在Linux系统上。

1.4编程语言上虚拟化

JVM虚拟机是OS中的一个进程，这个进程的输入数据是java指令，这个进程的作用是将java指令翻译成为当前cpu的指令，并送至cpu运行。

2.docker与容器

容器最初由LXC（Linux Container）提供，docker最初的实现是借助LXC所实现，后docker公司自主研发Libcontanier代替LXC。docker类似于虚拟机中的Hypervisor，它集中管理容器的创建，执行，销毁等生命周期，并控制容器与容器之间如何合理的共享OS提供的内核服务。docker可以被认作为一个框架，这个框架自底向上，提供了一系列方便快捷管理和操作容器的方法。