虚拟化技术 - CPU虚拟化

虚拟化技术 - cpu虚拟化

物理机器是由CPU、内存和I/O 设备等一组资源构成的实体。虚拟机也一样，由虚拟CPU，虚拟内存和虚拟IO设备组成。VMM（VM Monitor）按照与传统OS并发执行用户进程的相似方式，仲裁对所有共享资源的访问。

在虚拟化平台上，虚拟机（guest VM）所使用的多个虚拟CPU（以下称vCPU）可能共享同一个物理CPU（以下简称pCPU）的。VMM负责vCPU的调度，当一个vCPU被调度到获得pCPU的使用权后，基于该vCPU运行的guest OS 又可以调度OS中的各个线程/进程了。也就是说，guest OS 中的各个线程 / 进程分时复用了vCPU，而各个vCPU又分时复用了pCPU。

为了从硬件上提供对vCPU调度和切换的支持，Intel 推出了被称为VT-x（Virtualization Technology for x86）的虚拟化扩展技术，用户可通过VMXON / VMXOFF 指令打开/ 关闭这个功能。AMD也推出AMD-V的对应技术。

在Linux中，从用户空间trap到内核空间可以通过system call 或者 interrupt / exception。以system call 基于x86 的实现为例，早期x86 提供的trap方式是int 0x80 这样的software interrupt 机制，而后改为了 SYSENTER / SYSEXIT的指令对，现在则已经被速度更快的SYSCALL / SYSRET 取代了。

kvm for x86

传统的x86架构的运行级别有4种，从ring0 到 ring3，ring0是最高特权级，通常用于操作系统内核，ring3是最低特权级，通常用于用户程序。ring1 最初本来设定为运行驱动程序，但在使用宏内核的Linux中，驱动程序也和内核一样运行于ring0 级别，因而ring1和 ring2 通常不被使用。

而x86开始从支持硬件支持虚拟化扩展，也就是上文提到的VMM，按照VMM运行的特权级应该比OS更高，可是OS已经是ring 0了，可以想到常规的解决办法有两个：

1. 降OS的运行级别调到ring1，像这样：

因为之前操作系统的实现都是基于ring 0的，调到ring1 势必会造成很多的不兼容，需要进行OS代码改动量较大。
2. 增加一个ring -1 级别给VMM用。你说要是x86 最开始把ring3 设为最高级，ring0设置为最低级，那直接弄一个ring 4 给VMM 就可以了，可x86诞生之初怎么会预料到后来虚拟化扩展呢。不过这使用负数ring -1 怎么看都是别扭吧。

为了解决这个难题，x86采用的办法是增加一个root mode，大概原理是这样的：

对于KVM 这种基于host OS的，如果只有host OS运行于root mode，host上的Apps（userspace）运行在non-root mode的ring3 级别，那么host userspace 到host kernel的切换就和guest VM 向VMM 的切换一样了。

所以，最终的实现是root mode里也有 ring0 到 ring3 共4个级别，也就是说 root mode和ring是正交的关系。

对于KVM，其基于host OS 也就是（Linux内核）运行在root mode的ring0 级别，host userspace 运行在root mode的ring3 级别，还是ring 0 和ring 3和 Linux传统用法一样，因此对Linux来说不用做什么大的修改。guest OS 和 guest Apps则分别运行在non-root mode的ring 0 和 ring3。