Linux中虚拟化方法、技术及实现(2)

虚拟化和游戏

一篇有关虚拟化的文章如果不提一下 MAME（Multiple-Arcade Machine Emulator），就不算完整。顾名思义，MAME 就是以前很多 arcade 游戏的一个完整的机器模拟器。除了对这些游戏中使用的处理器进行虚拟化之外，还可以对整个机器进行虚拟化，包括声音、图形处理硬件和控制单元。MAME 是一个非常不错的应用程序，不过要理解它们究竟实现了哪些功能，研读一下它的源代码会非常有帮助。

虚拟化的类型

实现虚拟化的方法不止一种。实际上，有几种方法都可以通过不同层次的抽象来实现相同的结果。本节将介绍 Linux 中常用的 3 种虚拟化方法，以及它们相应的优缺点。业界有时会使用不同的术语来描述相同的虚拟化方法。本文中使用的是最常用的术语，同时给出了其他术语以供参考。

仿真和开发

硬件仿真的应用之一是进行固件和硬件的协作开发。固件开发人员可以使用目标硬件 VM 在仿真环境中对自己的实际代码进行验证，而不需要等到硬件实际可用的时候。

硬件仿真

毫无疑问，最复杂的虚拟化实现技术就是硬件仿真。在这种方法中，可以在宿主系统上创建一个硬件 VM 来仿真所想要的硬件，如图 1 所示。

正如您所能预见的一样，使用硬件仿真的主要问题是速度会非常慢。由于每条指令都必须在底层硬件上进行仿真，因此速度减慢 100 倍的情况也并不稀奇。若要实现高度保真的仿真，包括周期精度、所仿真的 CPU 管道以及缓存行为，实际速度差距甚至可能会达到 1000 倍之多。

硬件仿真也有自己的优点。例如，使用硬件仿真，您可以在一个 ARM 处理器主机上运行为 PowerPC® 设计的操作系统，而不需要任何修改。您甚至可以运行多个虚拟机，每个虚拟器仿真一个不同的处理器。

完全虚拟化

完全虚拟化（full virtualization），也称为原始虚拟化，是另外一种虚拟化方法。这种模型使用一个虚拟机，它在客户操作系统和原始硬件之间进行协调（参见图 2）。“协调”在这里是一个关键，因为 VMM 在客户操作系统和裸硬件之间提供协调。特定受保护的指令必须被捕获下来并在 hypervisor 中进行处理，因为这些底层硬件并不由操作系统所拥有，而是由操作系统通过 hypervisor 共享。

虽然完全虚拟化的速度比硬件仿真的速度要快，但是其性能要低于裸硬件，因为中间经过了 hypervisor 的协调过程。完全虚拟化的最大优点是操作系统无需任何修改就可以直接运行。惟一的限制是操作系统必须要支持底层硬件（例如 PowerPC）。

老硬件上的 hypervisor

有些比较老的硬件，例如 x86，会给完全虚拟化带来一些问题。例如，需要 VMM 处理的一些特定敏感指令并没有捕获。因此，hypervisor 必须要动态扫描并捕获这些特权模式代码来解决这一问题。