from linux kernel to kvm -- kinds of hypervisor

标题留在这里，但是最近一直太忙， 没有时间来管blog，今天补上，内容都是我自己的理解，不一定完全正确，就像前面的文章一样，可能到后来我自己的理解变了，我又会

写一篇新的。

其实现在云计算这么流行，并不是技术上有什么突破，只是服务方式或者思维的一种转变得到了大家的认可，趁着互联网化的风潮，云计算以其基础性地位得到很大的重视，

说云计算，肯定绕不开虚拟化， 云计算不等于虚拟化，二者不是一个层面的东西，但是虚拟化是云计算的重要部分；虚拟化和虚机又是两回事，但是虚机是虚拟化在云

计算中给人最直观感受的东西；其实什么是虚拟化？这个很难回答，虚拟化也分为很多层次或者方面，比如计算虚拟化，网络虚拟化，存储虚拟化等等，单就IT领域来说，我

理解的虚拟化是：逻辑上对资源的划分，使得划分之后的逻辑个体具有资源所有的属性并互相隔离，同时逻辑的划分是可控的。

如何进行划分，如何控制并隔离事实上就是不同虚拟化技术的技术差异，虚拟化的实现方式可以从系统内核到应用软件的实现方式，在不同层面实现有效率差异，难易差异

等等，虚拟机以实现难度，对IT格局改变重要性上成为IT重要的一环。

讲了一堆废话都是为了引出虚拟化，特别是os虚拟化在云计算中的地位，IT早期，一套硬件设备上（这么说只得是一块主板上，总线，CPU，南北桥，内存，外设等）装

一个操作系统（后来的双系统和这个完全不是一回事，从bootloader中选择之后，硬件设备上本质上还是运行的一个OS），随着硬件设备性能的提升，CPU日益强大，内存提升

等，一个用户（或一组用户）使用一个OS，往往会造成资源的极大浪费，据统计，平均的硬件资源利用率也就20%-30%，大量闲置，既然这样，一台server要是可以当

4台用，硬件资源差不多就能跑满，省了三台server的钱了，商机出现了。

虚拟机的概念出现的很早，老大哥IBM很早之前就在弄，真正让这个行业飞速发展的却是vmware和citrix, 也就是大家熟知的exsi和xen，用过的都知道，这儿有个词，就是

hypervisor，我理解为操作系统的操作系统。它运行再硬件之上，而虚拟出来的OS（称之为客户机，guest OS）运行再hypervisor之上，hypervisor是如何让guest做到隔离，

并能高效利用硬件资源的呢？出现了不同的技术方案：

btw:这里提一句，还有一个词是VMM，virtual machine manager，有人认为hypervisor就是vmm，这个其实不台准确，VMM是hypervisor最重要的部分。

可能需要说到os kernel上，现代os 设计上，为了保证kernel的稳定，不至于应为应用程序的崩溃而使得kernel crash掉，会做两件事，一是micro core，微内核，

尽量减小内核，而是分特权级，让内核运行再较高特权级（一般是0），而系统程序和应用程序则根据不同计算机体系结构略有差异，比如（intel属于CISC，复杂指令

集，有1-3权限级别，而IBM的power等RISC，简单指令集，只分user-kernel两种），这种分层，使得用户不得直接使用特权指令，而必须通过中断，让os kernel执行。

hypervisor的出现打破了原有os kernel运行再Ring 0的规则，怎么办呢？

其实好办，guest os对特权指令的调用会发生异常（现在已经不再Ring 0运行了），hypervisor捕捉这种异常，陷入 Ring 0执行再返回就可以了。

但现实是，除了特权指令，还有一些敏感指令（具体可以网上查阅），需要使用底层公共资源，也需要陷入Ring 0执行否则会引起guest os之间的冲突，

对RISC来说，所有的敏感指令都是特权指令，所有没有这个问题，但是对intel为代表的CISC，有一部分敏感指令不是特权指令，是可以在Ring 1执行的，

这样就麻烦了，不能靠捕捉异常了

为了解决这个问题，出现了几种方案：

1. 全虚拟化方案，引入了hypervisor之后，又不想改变现有的一切，怎么办：

a. 说白了hypervisor就是运行在Ring 0上的一个os，通过VMM可以拿到guest os的运行指令（可以想象linux kernel中程序是怎么运行的），让这些指令全部在Ring 0

运行，也就没有敏感指令代码的问题了，甚至可以通过翻译，将不同系统结构的指令转化执行，其实这种虚拟化，称之为模拟化更合适，

由于所有的指令都要翻译，效率低下， bochs和qemu 都这么干；

b. 运行前扫描所有的指令，将敏感指令替换为跳转指令，跳转后模拟指令的结果（具体没细看）， oracle 的virtual box这么干；

c. 逐段扫描指令，将敏感指令替换为Ring 0特权指令（我比较好奇怎么替换），vmware work station

全虚拟化效率比较低，生成环境中不会使用。

2. 半虚拟化（准虚拟化，超虚拟化），方案1是不想改动现有的东西，如果稍微改动呢，比如改一下OS， 给OS kernel打补丁， Xen和 MS的Hyper-V都是这样，

事实上，MS的Hyper-V在实现上就是参考的Xen的架构。在hypervisor上先动点手脚，暴露出一些系统调用接口用于处理敏感指令，然后将OS中调用敏感指令

的地方改成调用hypervisor的系统接口，比方案1一下子效率高很多，在KVM成熟之前，AWS和国内阿里都用的Xen

3. 有人可能说了，改OS有时候不方便，比如windows这样不开源的OS（只有它自己搞hyper-V）， 而且用户也不放心在OS里装些不知道的东西，于是

改指令成为尝试，HVM，硬件辅助虚拟化的出现，引爆了虚拟化的新浪潮。

Intel增加了VMCS数据结构和针对vm的新指令，同时对CPU的操作引入了Root-Operatin和None Root-Operation两种模式，这样hypervisor和guest都运行在

Ring 0-3上，guest和hypervisor通过VMCS数据结构联系起来（linux kernel代码中可以找到它，每个vm对应一个vmcs结构，存于内存中），hypervisor通过对

VMCS的切换就能实现对VM调用的切换，提高CPU利用率。

由于HVM的实现，现代的Xen也不需要改动OS了，KVM则由于新起，没有对之前版本的兼容问题，以轻快的形象受到越来越多人的追捧。