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云計算基礎(chǔ)知識：CPU虛擬化

虛擬化技術(shù)的分類主要有服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、應(yīng)用虛擬化。服務(wù)器虛擬化技術(shù)按照虛擬對象來分，可分為：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、I/O虛擬化；按照虛擬化程度可分為：全虛擬化、半虛擬化、硬件輔助虛擬化。將不同的虛擬化對象和程度組合，可得出9種不同的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，本文主要介紹服務(wù)器虛擬化之CPU虛擬化。 CPU虛擬化CPU全虛擬化技術(shù)主要采用優(yōu)先級壓縮技術(shù)（Ring Compression）和二進制代碼翻譯技術(shù)（BinaryTranslation）。優(yōu)先級壓縮技術(shù)讓VMM和Guest運行在不同的特權(quán)級下。對x86架構(gòu)而言，即VMM運行在最高特權(quán)級別Ring 0下，Guest OS運行在Ring 1下，用戶應(yīng)用運行在Ring 3下。因此，Guest OS的核心指令無法直接下達到計算機系統(tǒng)硬件執(zhí)行，而是需要經(jīng)過VMM的捕獲和模擬執(zhí)行（部分難以虛擬化的指令需要通過Binary Translation技術(shù)進行轉(zhuǎn)換）。CPU半虛擬化技術(shù)主要采用Hypercall技術(shù)。Guest OS的部分代碼被改變，從而使Guest OS會將和特權(quán)指令相關(guān)的操作都轉(zhuǎn)換為發(fā)給VMM的Hypercall（超級調(diào)用），由VMM繼續(xù)進行處理。而Hypercall支持的批處理和異步這兩種優(yōu)化方式，使得通過Hypercall能得到近似于物理機的速度。CPU硬件輔助虛擬化技術(shù)目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V這兩種技術(shù)。其核心思想都是通過引入新的指令和運行模式，使VMM和Guest OS分別運行在不同模式（ROOT模式和非ROOT模式）下，且Guest OS運行在Ring 0下。通常情況下，Guest OS的核心指令可以直接下達到計算機系統(tǒng)硬件執(zhí)行，而不需要經(jīng)過VMM。當Guest OS執(zhí)行到特殊指令的時候，系統(tǒng)會切換到VMM，讓VMM來處理特殊指令。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。GuestOS負責第2級調(diào)度，即線程或進程在VCPU上的調(diào)度（將核心線程映射到相應(yīng)的虛擬CPU上）。 VMM(Virtual Machine Monitor)負責第1級調(diào)度，即VCPU在物理處理單元上的調(diào)度。 兩級調(diào)度的調(diào)度策略和機制不存在依賴關(guān)系。VMM負責物理處理器資源在各個虛擬機之間的分配與調(diào)度，本質(zhì)上即把各個虛擬機中的VCPU按照一定的策略和機制調(diào)度在物理處理單元上可以采用任意的策略來分配物理資源，滿足虛擬機的不同需求。