走进黑客帝国：CPU虚拟化技术解析
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微软新一代的操作系统Windows 7已成为今年最热门的话题，在Windows 7上可使用内置的虚拟机安装一个XP系统，用户能随时切换到“XP模式”，可以兼容以前的旧软件。“XP模式”的诞生，得到了广大用户的极大关注。但是，使用“XP模式”是有条件限制的，最重要的条件就是CPU必须支持虚拟化技术（Virtualization Technology，简称VT）。
起源：40年的历史
什么是虚拟化技术呢？通过虚拟化技术，可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上。其实虚拟化技术已有40年的历史，最早使用虚拟化技术的是IBM 7044计算机，它基于麻省理工学院为IBM704计算机开发的分时系统CTSS和曼彻斯特大学的Atlas超级计算机项目。IBM还开发了Model 67的System/360主机，Model 67主机通过虚拟机监视器（VMM， Virtual Machine Monitor）虚拟所有的硬件接口。不过以往的虚拟化技术都是面向服务器系统的，到了2005年，Intel和AMD开始在桌面级CPU中加入对虚拟化技术的支持。
意义：更高的利用率
为什么要使用虚拟化技术呢？在企业和服务器领域，CPU虚拟化可以带来高的部件及系统级利用率，支持具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠服务器应用环境，以及更为简洁、统一的服务器资源分配管理模式。比如，一台中档服务器加上一个虚拟技术平台，常常可以取代6或7台低端服务器，节省的费用不仅仅限于最初的购买费用。从总成本角度来看，算上服务器使用寿命期间的电源、维护和散热费用，节省的费用更多。而且虚拟数据中心还可以大大减少管理费用。此外，资源管理在允许动态分配CPU时间、RAM和网络带宽的虚拟化平台上变得更加简单，可以带来更有效的利用。比如世界上最大的时装零售商Gap公司，通过使用虚拟化技术，用3台安装有Vmware的IBM eServer xSeries440服务器取代了原有的100台服务器。
对于个人用户和工作站环境中，CPU虚拟化也有极大的用处。想象一下，一个操作系统几乎不需要花任何时间就可被启动，即使它崩溃了，也只需要简单地将它删除，然后立即安装一个新的。如果你正同时运行几个操作系统，当你准备给其中一个载入新的映像时，你可马上将它关闭，并把该系统正在处理的工作分流给其他系统运行。
软件级：系统复杂化
在桌面级的系统中最早见到的CPU虚拟化都是软件级别的，在2003年，VMware首次在Windows XP平台上运行Linux甚至是Windows Server 2003，还有当时尚未被微软收购的Connectix Virtual PC、开源的VirtualBox等。这里原有操作系统是Host OS（主操作系统），运行在VMware、Virtual PC环境中的操作系统被称作Guest OS（子操作系统）。这些Guest OS有着和普通操作系统完全相同的功能。而且在虚拟机环境中，无论你对Guest OS做什么样的改动，都丝毫不会影响到Host OS的稳定性和安全性。在不用Guest OS的时候，更能像删除普通软件那样随意卸载。
但纯软件虚拟化解决方案也存在很多问题，对于所有运行在x86处理器中的程序来说，x86处理器的响应有4个不同优先级，称为Ring 0～Ring3，其中Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。Ring 0用于操作系统内核， Ring 1和Ring 2用于操作系统服务，Ring 3用于应用程序。一般来说，操作系统当然是要运行在Ring 0下的，但为了避免Guest OS破坏Host OS，Guest OS必须运行在低于Ring 0的权限下（如Ring 1权限）。问题随之而来，为了让Guest OS实现完整的系统功能，又必须让它发出的线程是Ring 0级的，于是虚拟软件就要不断协调Guest OS和Host OS之线程的优先级，这种转换必然会增加系统的复杂性，会导致软件虚拟技术的性能低下，CPU和内存的处理能力在这样的协调中被大量耗费，引起系统性能下降5%～40%。而且其无法直接对硬件进行操作，也限制了软件的功能，比如在软件虚拟系统中无法运行日益普及的64bit操作系统。所以只有对x86 CPU体系进行改进，提供专用的虚拟化应用指令来实现硬件级的虚拟化支持，才能为用户提供高速、稳定、全面的虚拟化技术支持。
硬件级：Intel、AMD全力支持
2005年Intel正式公布了Intel VT（Intel Vanderpool Technology）技术，这种技术可以应用于PC和服务器系统，它可以让一台计算机同时运行多个操作系统，通过新的硬件指令，让一个平台能在独立的分区 （partitions） 或 容器 （containers）内执行多个操作系统。软件方面则由虚拟机监视器VMM对虚拟机进行不间断的管理。同年Intel推出的Prescott 核心Pentium 4处理器中的部分型号就已经支持Intel VT技术。当然AMD也有自己的CPU虚拟技术，称为AMD-V（虚拟化技术）。其实无论是Intel还是AMD，它们基于x86 CPU的硬件虚拟技术的本质都大致相同，就是为Guest OS提供专门的执行、切换区域，来避免虚拟系统的频繁协调操作，从而提升稳定性和性能。而且根据平台和发展的不同，CPU虚拟技术也分为数个版本，对应Itanium平台的叫做VT-i，对应x86平台的叫做VT-x。
下面我们就以Intel的VT技术为例，来看看硬件虚拟技术的执行方法。Intel为CPU增加了一种新的VMX（Virtual Machine eXtensions）执行模式，VMX给CPU带来了10个新的虚拟专用指令：VMPTRLD、VMPTRST、VMCLEAR、VMREAD、VMWRITE、VMCALL、VMLAUCH、VMRESUME、VMXOFF和VMXON。在这个模式下，CPU提供一个虚拟机监视器VMM，通过它能够随意控制Guest OS。VMM工作在和Ring 0权限大致相同的VMX Root 模式下，这样就能保证VMM对Guest OS的完整控制和安全性。AMD的处理方式与之类似，只不过AMD把这种执行模式称作VMRUN，把虚拟机监控器称作Hypervisor，VMRUN根模式叫做SVM。
支持VT技术后，所有Guest OS都将运行在VMX模式下。此时VMM将对所有的Guest OS的指令进行统一协调管理，Guest OS和Host OS的线程的优先级等各种冲突将得以避免。具体来说，VMM执行VMXON指令调入VMM软件，VMM软件使用VMLAUNCH指令来进入每一个虚拟机，使用VMRESUME指令来退出。而且各个VMX模式切换也极为方便，每个Guest OS会有4KB的VMCS状态存储区，这个区域用来存储Guest OS状态，所以多个不同的Guest OS能够被高效地同时执行，而且同时能够被快速切换。而对于AMD的产品来说，由于CPU内部整合了内存控制器，因此在SVM模式下，VMM还有着相应的内存访问控制机制，更能进一步提升Guest OS的运行性能。
另外，虚拟化技术是一套解决方案，需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的配套支持。据测试，在开启VT技术后，虚拟机软件的内存和磁盘性能可以得到极大的提升，尤其在VMware下提升更为明显。在64bit主机操作系统下，打开VT还可以获得更好的CPU性能。而且只有在开启VT后，才能够在32bit操作系统中虚拟出64bit操作系统。
小贴士：如何检测自己的CPU是否支持VT技术
目前Intel众多CPU均不支持XP模式需要的VT技术，包括Pentium E5200、Core 2 Duo E7400、Core 2 Quad Q8200等。换句话说，现在不少主流的Intel平台与Windows 7的“XP模式”无缘。相比Intel，AMD也已经发布了支持AMD Virtualization Technology虚拟化技术的一系列处理器产品，并且绝大多数的AMD主流处理器都支持，只有Sempron系列不支持VT技术。
对于Intel的CPU，读者可以去http://processorfinder.intel.com/Default.aspx查询自己的CPU是否支持VT技术。我们也可以使用CPU虚拟技术支持检测软件（SecurAble工具）来检测自己的CPU到底能否支持硬件虚拟技术，以及自己的主板BIOS是否开启了VT技术支持。
后记：广泛的应用前景
虽然CPU虚拟化的概念和实施最早来源于大型服务器主机，但随着以Intel、VMware和微软等为代表的软硬件厂商将虚拟化技术引入x86平台，一个崭新的时代即将到来。从2003年起，各个虚拟化厂商就在逐步发力：EMC公司以6.25亿美金收购VMware；SWsoft公司进入中国，成立中国公司；微软免费提供Virtual Server；VMware免费提供VMware Server；Xen与诸多操作系统集成；Intel和AMD公司相继推出集成虚拟化功能的微处理器，太多的事实证明了，虚拟化的步伐正在逐步加快。仅VMware一家公司的收入就能达到了近9亿美元，有超过400万的用户和2.6万家不同类型和规模的企业客户。虚拟化市场的巨大，可见一斑，而Windows7的XP模式只是向我们揭示了CPU虚拟化的冰山一角。