虚拟化x86的三种途径

虚拟化x86的三种途径

作者：缪天翔
链接：https://www.zhihu.com/question/20145026/answer/34527331

x86上的全系统虚拟化有三种主要的途径：

• 二进制翻译binary translation（BT），把降权执行会silently fail的指令替换掉，如纯Qemu、Bochs、早期的VMware
• 半虚拟化para virtualization（PV），修改guest操作系统把敏感操作换成hypercall，如早期的Xen
• 硬件虚拟化（HVM），处理器VMX扩展原生支持guest在非根模式运行，如KVM

如果纯粹采用BT方案，理论上可虚拟化的层数是无限的。直白地说，虚拟化可以理解为精确模拟执行guest中的每一条指令，而VMM总可以用若干条指令来模拟guest中的一条指令（大不了就像解释型jvm一样一条一条模拟执行bytecode）。只是guest性能会呈指数级下降。

如果纯粹采用PV，最多只能跑一层。其实PV现在在HVM出来以后就很少使用了，不过PV的思想在SOSP03那时是一大创举，微软为此都向剑桥贡献了XP的代码。

如果纯粹采用HVM，现在KVM已经能做到两层，OSDI10年的Turtles做的就是这个事情，这个也已经被merge到了KVM的mainsteam中。不过Intel和AMD在设计虚拟化扩展的时候并没有将nested virtualization考虑进去，再加上每次VMExit的开销其实非常大，我估计嵌套之后的性能说不定还比不上纯粹的BT方案。但从理论上说，通过复杂的实现，也是可以做到多层嵌套的。（有多复杂？我用L0、L1、L2 、L3来表示各层，L3要做的工作是1，L2要做的就是2^2，L1要做的就是3^2，L0要做的是4^2。。。因为，越是下面的那层要处理所有上层之间的交互，事实上KVM现在两层的实现已经非常复杂了）。

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