云计算的那些事儿之计算虚拟化

上一篇介绍了虚拟化分别从计算虚拟化、存储虚拟化和 络虚拟化几个角度总体说了一下。下面就主意进行讲解，本篇先介绍计算虚拟化，其实我觉得用计算虚拟化可能比较狭隘，我个人更偏向另个一个更大的概念，软件定义的计算。

计算虚拟化分类

计算虚拟化就是在虚拟系统和底层硬件之间抽象出CPU和内存等，以供虚拟机使用。计算虚拟化技术需要模拟出一套操作系统的运行环境，在这个环境你可以安装window也是可以按照linux，这些操作系统被称作guestos。他们相互独立，互不影响（相对的，因为当主机资源不足会出现竞争等问题，导致运行缓慢等问题）。计算虚拟化可以将主机单个物理核虚拟出多个vcpu，这些vcpu本质上就是运行的进程，考虑到系统调度，所以并不是虚拟的核数越多越好；内存相似的，把物理机上面内存进行逻辑划分出多个段，供不同的虚拟机使用，每个虚拟机看到的都是自己独立的一个内存。除了这些还需要模拟 络设备、BIOS等。这个虚拟化软件叫做hypervisor，著名的有ESXI、xen、KVM等，通常分为两种，第一种是直接部署到物理服务器上面的，如下图ESXI

CPU

CPU具有根模式和非根模式，每种模式下又有ring0和ring3。宿主机运行在根模式下，宿主机的内核处于ring0，而用户态程序处于ring3，guestos运行在非根模式，相似的，guestos的内核运行在ring0，用户态程序运行在ring3。当处于非根模式的guestos，当外部中断或缺页异常，或者主动调用 VMCALL 指令调用 VMM 的服务的时候（与系统调用类似）的时候，硬件自动挂起 Guest OS，CPU会从非根模式切换到根模式，整个过程称为vm_exit，相反的，VMM 通过显式调用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切换到 VMX non-root operation 模式，硬件自动加载 Guest OS 的上下文，于是 Guest OS 获得运行，这种转换称为 VM entry。

内存

除了 CPU 虚拟化，另一个关键是内存虚拟化，通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。虚拟机的内存虚拟化很象现在的操作系统支持的虚拟内存方式，应用程序看到邻近的内存地址空间，这个地址空间无需和下面的物理机器内存直接对应，操作系统保持着虚拟页到物理页的映射。现在所有的 x86 CPU 都包括了一个称为内存管理的模块MMU（Memory Management Unit）和 TLB(Translation Lookaside Buffer)，通过MMU和TLB来优化虚拟内存的性能。KVM 实现客户机内存的方式是，利用mmap系统调用，在QEMU主线程的虚拟地址空间中申明一段连续的大小的空间用于客户机物理内存映射。