CPU虚拟化技术

CPU虚拟化：在物理机(宿主机)中通过线程或进程这种纯软件方式模拟出假的CPU

物理cpu核数 > 虚拟cpu总核数的原因是：虚拟出来的每颗cpu实际上就是一个线程或者进程。虚拟cpu过多时，需要进行进程/线程切换，比较浪费

1、模拟：使用软件方式实现CPU，需要模拟环0,1,2,3。host架构和guest架构不同，如x86和android，因此guest上运行的所有指令都要进行转换，不管是用户空间的指令还是内核空间的指令，因此性能很低。需要安装模拟器来将其他类型的cpu指令翻译为本机cpu的指令集。

2、虚拟：guest架构和host架构相同或可以被兼容(host为64位，guest可以使用32位)，只需要模拟环0即可，因为虚拟机中的内核需要运行在内核态，即需要将虚拟机中的内核代码转换为本机的cpu指令集。

3、hypervisor直接管理物理硬件(cpu和memory)，hypervisor有时候就是host中的内核。

4、进程中涉及到系统调用时的运行过程：

    进程运行在cpu的环3(用户态)上，如果涉及到硬件调用时，就通过软中断方式发起系统调用，由用户态切换到内核态。内核完成系统调用完成后将结果告知调用进程，因此恢复中断现场，进程继续运行。

 

5、CPU虚拟化方案：

    A、完全虚拟化：guest操作系统内核不需要进行任何修改，guest以为自己直接管理真实的底层物理硬件。

guest相对于宿主机(host)而言只是一个进程，这时候guest中的内核程序只是运行在host的环3(用户空间)上的进程，但是，对于内核而言，它必须要运行在环0上，即内核空间要运行在环0上，需要具有所有资源的访问权限。

这时候我们就要进行CPU的虚拟化，通过软件的方式模拟出一个假的CPU，让guest的内核运行在模拟出来的CPU环0上。软件模拟出来的CPU实际上就是host中的一个进程或线程。如果只考虑虚拟化方式而不考虑模拟方式，这时候模拟CPU只需要模拟环0就可，guest中用户空间的操作可以直接运行在真实CPU的环3上。

运行过程：guest中运行的程序需要涉及到硬件操作时，需要发起系统调用，交给guest的内核进行处理，即要经历CPU的工作流程，取指令，解析指令，运行指令等过程，但是guest中的内核运行在host的用户态，因此无法转换成真正的特权指令集，所以还需要向host内核发起系统调用，host内核完成系统调用后，将结果返回给guest内核，guest内核再将结果返回给guest用户进程。可以理解为：在guest中运行的程序使用硬件，需要经过两次内核操作，一是guest中的内核，二是host中的内核。

工作过程如下：

 

a、BT技术：host内核运行在环0上

    BT模式下，假设虚拟机(guest)中的内核运行在环1上，guest的用户空间运行在环3上。但是，guest内核是不可能运行在环1上的，因为环1上没有特权指令，因此必须使用软件的方式模拟环0。BT技术是将guest的内核代码从运行在模拟出来CPU环0移到真实的CPU的环1中。环1和环0之间的交互采用了BT(Dynamic Binary Translation，动态二进制翻译，这个技术主要是vmware公司开发的)技术。BT通过监听环1，随时将guest的内核调用转换为host内核中真正的特权指令的调用，即将上图中guest用户进程调用guest内核，guest内核调用host内核的过程，简化为guest用户进程调用guest内核。即可以理解为BT实现了运行时翻译，guest中涉及到内核空间的调用时，是边调用边翻译边转化的，即减少了在模拟CPU中执行完CPU工作流程后再次提交给host内核的过程。BT技术严重依赖于底层架构(即虚拟机中guest的架构必须和底层架构相同或者可以被兼容)，因为它是直接在guest中运行内核指令时动态转换为真实的特权指令集，因此无法实现跨平台。guest的内核运行在host的环1上，guest的用户空间运行在host的环3上。

 

 

b、硬件方式：硬件辅助虚拟化，host的内核运行在环-1上。

    硬件辅助虚拟化(HVM，hardware virtual machine)：由硬件方式实现完全虚拟化，hypevisor运行在环-1上，guest的内核在环0上，即四个环变成了五个环，由硬件进行特权指令的转换，而不是软件方式进行转换。

    host中的内核运行在环-1上，特权指令变成放置在环-1上而不再是环0上。guest的内核就可以直接运行在物理CPU中的环0上了。在guest中可以看到物理CPU中的环0-3这个四个环，这是由硬件直接虚拟给guest而不再是通过软件方式虚拟出CPU的四个环。guest中对内核空间的操作直接由硬件进行转换，如guest中执行内核空间操作时，在环0上运行内核代码时，就会被运行在环-1上的hypevisor捕获到，由硬件直接转换为对应的特权指令。

    Intel：Intel VT，Intel Virtualization Technology

    AMD：AMD-V

 

 

B、半虚拟化：软件方式实现，host内核在环0上

    这是为了提高软件方式模拟环0虚拟化技术性能而出现的，硬件辅助虚拟化出现后，这种技术就没有存在的意义了。guest的操作系统代码进行了更改，guest是知道自己运行在虚拟机中的。在guest中涉及到内核空间的操作，不是在模拟的环0上转换为cpu的指令集，而是要通过向VMM(hypervisor) 进行hypercall调用来完成特权指令的调用，这是直接调用而不是翻译的过程。这样guest的内核和host的内核交互的过程大大简化了，因为不需要中间的翻译过程了，比如省略了在软件模拟环0上操作的过程。

 

总结：

性能：硬件辅助虚拟化 > 半虚拟化 > BT技术

完全虚拟化：虚拟机监视器在关键的时候“欺骗”虚拟机，使得客户操作系统以为自己在真实的物理环境下运行，可以使用BT技术进行加速，如果支持HVM时，直接使用硬件辅助虚拟化技术

       优点：代码的转换工作是动态完成的，无需修改客户操作系统代码

       缺点：需要进行两次转换，即guest中进行硬件操作时，需要提交到guest的内核，然后再由guest内核提交给host内核进行翻译为特定的硬件指令。

 

半虚拟化：guest操作系统通过更改代码来解决特权指令调用问题，在guest中进行系统调用时，直接提交给host内核进行解析。guest是知道自己运行在虚拟机中的，而不是真实的物理硬件上。

        优点：比全虚拟化性能好一些，由两次翻译减少为一次翻译

        缺点：不适用于所有的操作系统，因为有些操作系统不能进行代码更改，比如windows

参考：

计算机的心智操作系统之哲学原理

https://yq.aliyun.com/articles/71295

http://blog.51cto.com/tasnrh/1736758

https://blog.csdn.net/coderhattonliu/article/details/54670954