虚拟化介绍资料收集-1

以下内容节选自胡伟武等编著的《计算机体系结构基础》

所谓虚拟化，就是“用起来是这样的，实际上是那样的”，或者“逻辑上是这样的，物理上是
那样的”。计算机为什么好用？因为体系结构设计者宁愿自己多费点事，也要尽量为用户提供一
个友好界面的用户接口。虚拟化是体系结构设计者为用户提供友好界面的一个基本方法，虚拟化
的本质就是在不好用的硬件和友好的用户界面之间架一座 “桥梁”。
架得最成功的一座“桥梁” 是20世纪60年代工艺的发展使处理器中可以包含像TLB这样较为
复杂的结构，操作系统可以支持虚拟空间，大大解放了程序员的生产力。早期的计算机程序员编
程的时候要直接跟物理内存和外存打交道，非常麻烦，虚拟存储解决了这个问题。每个进程都使
用一个独立的、很大的存储空间，具体物理内存的分配和数据在内存和外存的调入调出都由操作
系统自动完成。这座桥架得太漂亮了，给它评分肯定是 “特优”。
如果说虚拟存储技术 “虚拟” 了内存，那么多线程和虚拟机技术则 “虚拟” 了 CPU。多线程
技术，尤其是同时多线程（Simultaneous Multi‑Threading，简称 SMT）技术，通过微结构的硬件支持，
如设立多组通用寄存器等，使得在同一个 CPU 中实现两个或多个线程中的指令在流水线中混合地
执行，或在同一个 CPU 中实现线程的快速切换，使用户在一个 CPU 上 “同时” 执行多个线程。虚
拟机技术则通过微结构的硬件增强，如设立多组控制寄存器和系统状态等，实现多个操作系统的
快速切换，达到在同一台计算机上 “同时” 运行多个操作系统的目的。这座桥架得也不错，作用
没有虚拟存储那么明显，给它评分可以得 “优”。
流水线和多发射结构也是架得很成功的一座 “桥梁”。20 世纪七八十年代以来，工艺的发展
使得像流水线和多发射这样的结构得以实现，在维持串行编程模型的情况下提高了速度。但由于
程序中相关性的存在，流水线和多发射的效率难以做得很好，例如在单发射结构中 IPC 达到 0.5 就
不错了，在四发射结构中 IPC 达到 1.5 就不错了。流水线和多发射这座桥的评分可以得 “优”。
另外一座比较成功的 “桥梁” 是 Cache 技术。CPU 速度越来越快，内存大但是慢，通过 Cache
技术可以使程序员看到一个像 Cache 那么快、像内存那么大的存储空间，不用改应用程序就能提
高性能。这座桥也对程序员屏蔽了结构细节（虽然程序员往往针对 Cache 结构进行精雕细刻的程
序设计以增加局部性），但代价太大，现代处理器往往 80% 以上的晶体管都用在 Cache 上了，所以
Cache 这座桥的评分只能得 “良好”。
还有一座比较典型的 “桥梁” 是分布式共享存储系统中的 Cache 一致性协议。Cache 一致性协
议可以在分布式存储的情况下给程序员提供一个统一的编程空间，屏蔽了存储器物理分布的细节；
但Cache一致性协议并不能解决程序员需要并行编程、原有的串行程序不能并行运行的问题。因此
Cache 一致性协议这座桥评分可以得 “及格”。如果哪天编译技术发展到程序员只要写串行程序，
计算机能够自动并行化并在成千上万个处理器中运行该程序，那这座桥的评分可以得 “特优”。

虚拟技术：计算机资源的重新分配

按虚拟的对象分类

硬件虚拟化
虚拟机（Virtual machine或VM），可以像真实机器一样运行程序的计算机的软件实现:

平台虚拟化，将操作系统和硬件平台资源分割开

完全虚拟化，敏感指令在操作系统和硬件之间被捕捉处理，客户操作系统无需修改，所有软件都能在虚拟机中运行，例如IBM CP/CMS，VirtualBox，VMware，QEMU
硬件辅助虚拟化，利用硬件（主要是CPU）辅助处理敏感指令以实现完全虚拟化的功能，客户操作系统无需修改，例如VMware，Xen，KVM，Hyper-V

部分虚拟化，针对部分应用程序进行虚拟，而不是整个操作系统

准虚拟化/超虚拟化（paravirtualization），为作业系统提供与底层硬件相似但不相同的软件接口，客户操作系统需要进行修改。例如Xen的半虚拟化模式，Hyper-V，KVM的VirtIO。

操作系统级虚拟化，使操作系统内核支持多用户空间实体，例如Parallels Virtuozzo Containers、OpenVZ、LXC以及类Unix系统上的chroot，Solaris上的Zone，FreeBSD上的FreeBSD jail。

应用程序虚拟化，在操作系统和应用程序间建立虚拟环境

便携式应用程序，允许程序在便携式设备中运行而不用在操作系统中安装

跨平台虚拟化，允许针对特定CPU或者操作系统的软件不做修改就能运行在其他平台上，例如Wine

虚拟设备，运行于虚拟化平台之上，面向应用的虚拟机映像

模拟器

虚拟内存，将不相邻的内存区，甚至硬盘空间虚拟成统一连续的内存地址
存储虚拟化，将实体存储空间（如硬盘）分隔成不同的逻辑存储空间
网络虚拟化，将不同网络的硬件和软件资源结合成一个虚拟的整体

虚拟专用网络（VPN），在大型网络（通常是Internet）中的不同计算机（节点）通过加密连接而组成的虚拟网络，具有类似局域网的功能
存储器虚拟化，将网络系统中的随机存储器聚合起来，形成统一的虚拟内存池

桌面虚拟化，在本地计算机显示和操作远程计算机桌面，在远程计算机执行程序和储存信息
数据库虚拟化
软件虚拟化
服务虚拟化
数据虚拟化 (data virtualization), 数据虚拟化是一种统一来自多个来源的数据的方法，这样应用程序，报告工具和最终用户就可以访问数据，而不需要有关原始来源，位置和数据结构的详细信息。

参考资料：