hypervisor 之于操作系統(tǒng)類似于操作系統(tǒng)之于進程。它們?yōu)閳?zhí)行提供獨立的虛擬硬件平臺，而虛擬硬件平臺反過來又提供對底層機器的虛擬的完整訪問。但并不是所有 hypervisor 都是一樣的，這是件好事，因為 Linux 就是以靈活性和選擇性著稱。本文首先簡要介紹虛擬化和 hypervisor，然后探索兩個基于 Linux 的 hypervisor。
我們首先花一點時間理解為什么虛擬化很重要，以及 hypervisor 的扮演的角色。（要更多地了解這兩個主題，請參見 參考資料）。
在本文中，虛擬化 就是通過某種方式隱藏底層物理硬件的過程，從而讓多個操作系統(tǒng)可以透明地使用和共享它。這種架構的另一個更常見的名稱是平臺虛擬化。在典型的分層架構中，提供平臺虛擬化的層稱為 hypervisor （有時稱為虛擬機管理程序 或 VMM）。來賓操作系統(tǒng)稱為虛擬機（VM），因為對這些 VM 而言，硬件是專門針對它們虛擬化的。圖 1 簡單的展示了這個分層架構。
平臺虛擬化的好處很多。美國環(huán)境保護署（EPA）報告的一組有趣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)就證明了其好處。EPA 研究服務器和數(shù)據(jù)中心的能源效率時發(fā)現(xiàn)，實際上服務器只有 5% 的時間是在工作的。在其他時間，服務器都處于 “休眠” 狀態(tài)。在單個服務器上的虛擬化平臺能夠改善服務器的利用率，但是減少服務器的數(shù)量才是它的最大功用。減少服務器數(shù)量意味著減少不動資產(chǎn)、能耗、冷卻和管理成本。使用更少的硬件還能提高可靠性?？傊?，平臺虛擬化不僅帶來技術優(yōu)勢，還能創(chuàng)造成本和能源優(yōu)勢。
在圖 1 中可以看到，hypervisor 是提供底層機器虛擬化的軟件層（在某些情況下需要處理器支持）。并不是所有虛擬化解決方案都是一樣的，您可以在 參考資料 中了解更多的虛擬化方式。繼續(xù)討論進程，操作系統(tǒng)將對機器的底層資源的訪問虛擬化為進程。hypervisor 也做一樣的事情，但其對象不是進程，而是整個來賓操作系統(tǒng)。
hypervisor 可以劃分為兩大類。首先是類型 1，這種 hypervisor 是直接運行在物理硬件之上的。其次是類型 2，這種 hypervisor 運行在另一個操作系統(tǒng)（運行在物理硬件之上）中。類型 1 hypervisor 的一個例子是基于內(nèi)核的虛擬機（KVM —— 它本身是一個基于操作系統(tǒng)的 hypervisor）。類型 2 hypervisor 包括 QEMU 和 WINE。
hypervisor（不管是什么類型）僅是一個從其來賓操作系統(tǒng)抽象機器硬件的分層應用程序。通過這種方式，每個來賓操作系統(tǒng)看到的僅是一個 VM 而不是真實的硬件機器。我們大致看一下 hypervisor 的內(nèi)部組成，以及它在 VM（來賓操作系統(tǒng)）上的表示。
在較高級別上，hypervisor 需要少量設施啟動來賓操作系統(tǒng)：一個需要驅(qū)動的內(nèi)核映像、一個配置（比如 IP 地址和所需的內(nèi)存量）、一個磁盤盒一個網(wǎng)絡設備。磁盤和網(wǎng)絡設備通常映射到機器的物理磁盤和網(wǎng)絡設備（如圖 2 所示）。最后，需要使用一組來賓操作系統(tǒng)工具啟動和管理來賓操作系統(tǒng)。
然后，一個簡化的 hypervisor 架構實現(xiàn)最后的關鍵功能，從而使來賓操作系統(tǒng)可以和宿主操作系統(tǒng)同時運行。實現(xiàn)這個功能需要一些特定的要素，如圖 3 所示。首先，類似于將用戶空間應用程序和內(nèi)核函數(shù)連接起來的系統(tǒng)調(diào)用，一個通?？捎玫奶摂M化調(diào)用（hapercall，hypervisor 對操作系統(tǒng)進行的系統(tǒng)調(diào)用）層允許來賓系統(tǒng)向宿主操作系統(tǒng)發(fā)出請求。可以在內(nèi)核中虛擬化 I/O，或通過來賓操作系統(tǒng)的代碼支持它。故障必須由 hypervisor 親自處理，從而解決實際的故障，或?qū)⑻摂M設備故障發(fā)送給來賓操作系統(tǒng)。hypervisor 還必須處理在來賓操作系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的異常。（畢竟，來賓操作系統(tǒng)發(fā)生的錯誤僅會停止該系統(tǒng)，而不會影響 hypervisor 或其他來賓操作系統(tǒng)）。hypervisor 的核心要素之一是頁映射器，它將硬件指向特定操作系統(tǒng)（來賓或 hypervisor）的頁。最后，需要使用一個高級別的調(diào)度器在hypervisor和來賓操作系統(tǒng)之間傳輸控制。
本文探索兩個基于 Linux 的 hypervisor 解決方案。首先是 KVM，它是首個被集成到 Linux 內(nèi)核的 hypervisor 解決方案，并且實現(xiàn)了完整的虛擬化。其次是 Lguest，這是一個實驗 hypervisor，它通過少量的更改提高準虛擬化。
KVM 針對運行在 x86 硬件硬件上的、駐留在內(nèi)核中的虛擬化基礎結(jié)構。KVM 是第一個成為原生 Linux 內(nèi)核（2.6.20）的一部分的 hypervisor，它是由 Avi Kivity 開發(fā)和維護的，現(xiàn)在歸 Red Hat 所有。
這個 hypervisor 提供 x86 虛擬化，同時擁有到 PowerPC? 和 IA64 的通道。另外，KVM 最近還添加了對對稱多處理（SMP）主機（和來賓）的支持，并且支持企業(yè)級特性，比如活動遷移（允許來賓操作系統(tǒng)在物理服務器之間遷移）。
KVM 是作為內(nèi)核模塊實現(xiàn)的，因此 Linux 只要加載該模塊就會成為一個hypervisor。KVM 為支持 hypervisor 指令的硬件平臺提供完整的虛擬化（比如 Intel? Virtualization Technology [Intel VT] 或 AMD Virtualization [AMD-V] 產(chǎn)品）。KVM 還支持準虛擬化來賓操作系統(tǒng)，包括 Linux 和 Windows?。
這種技術由兩個組件實現(xiàn)。第一個是可加載的 KVM 模塊，當在 Linux 內(nèi)核安裝該模塊之后，它就可以管理虛擬化硬件，并通過 /proc 文件系統(tǒng)公開其功能（見圖 4）。第二個組件用于 PC 平臺模擬，它是由修改版 QEMU 提供的。QEMU 作為用戶空間進程執(zhí)行，并且在來賓操作系統(tǒng)請求方面與內(nèi)核協(xié)調(diào)。
當新的操作系統(tǒng)在 KVM 上啟動時（通過一個稱為 kvm 的實用程序），它就成為宿主操作系統(tǒng)的一個進程，因此就可以像其他進程一樣調(diào)度它。但與傳統(tǒng)的 Linux 進程不一樣，來賓操作系統(tǒng)被 hypervisor 標識為處于 “來賓” 模式（獨立于內(nèi)核和用戶模式）。
每個來賓操作系統(tǒng)都是通過 /dev/kvm 設備映射的，它們擁有自己的虛擬地址空間，該空間映射到主機內(nèi)核的物理地址空間。如前所述，KVM 使用底層硬件的虛擬化支持來提供完整的（原生）虛擬化。I/O 請求通過主機內(nèi)核映射到在主機上（hypervisor）執(zhí)行的 QEMU 進程。
KVM 在 Linux 環(huán)境中以主機的方式運行，不過只要底層硬件虛擬化支持，它就能夠支持大量的來賓操作系統(tǒng)。您可以在 參考資料 部分找一個到受支持的來賓操作系統(tǒng)的列表。
Lguest hypervisor 由澳大利亞 IBM 的 Rusty Russell 開發(fā)，它采用完全不同的方式實現(xiàn)虛擬化。Lguest 并沒有為運行任意操作系統(tǒng)提供完整的虛擬化支持，而是為支持 x86 的 Linux 來賓操作系統(tǒng)（也稱為Linux-on-Linux 虛擬化）提供輕量級準虛擬化。這意味著來賓操作系統(tǒng)知道自己正在被虛擬化，并且這同時還會改進性能。但是，Lguest 不需要 QEMU 提供平臺虛擬化（像在 KVM 中一樣）來改進性能。使用 Lguest 這種方法還減少了總代碼需求，僅需在來賓操作系統(tǒng)和宿主操作系統(tǒng)中使用一個瘦層?，F(xiàn)在，我們探索這些變化，并查看 Lguest 環(huán)境的高級別架構。
如圖 5 所示，來賓操作系統(tǒng)包含一個 Lguest 代碼瘦層（根據(jù)定義，就是準虛擬化）。這段代碼提供許多服務。在最高的級別，有一些代碼可以決定正在啟動的內(nèi)核是否被虛擬化。此外，還有一個通過虛擬化調(diào)用將特權操作發(fā)送給宿主操作系統(tǒng)的抽象層（通過 paravirt_ops 實現(xiàn)）。例如，來賓操作系統(tǒng)不能禁用中斷，以使這些請求在宿主操作系統(tǒng)中執(zhí)行。您還可找到一個為來賓操作系統(tǒng)實現(xiàn)設備抽象的總線，以及一組實現(xiàn)控制臺、虛擬塊驅(qū)動器和虛擬網(wǎng)絡驅(qū)動器（允許與其他來賓通信）的簡單驅(qū)動器。
內(nèi)核部分被實現(xiàn)為可加載的模塊，即lg.ko。這個模塊包含來賓操作系統(tǒng)通向宿主內(nèi)核的接口。第一個組件是切換器，它實現(xiàn)一種方法，讓來賓操作系統(tǒng)在執(zhí)行時根據(jù)上下文進行切換。這個模塊還實現(xiàn) /proc 文件系統(tǒng)代碼（針對 /dev/lguest），該代碼實現(xiàn)到內(nèi)核和驅(qū)動器（包括虛擬化調(diào)用）的用戶空間接口。還有一些代碼通過使用影子頁表（shadow page-table）和管理 x86 區(qū)段來提供內(nèi)存映射。
最后，內(nèi)核中的 Documentation 子目錄包含啟動實用程序（lguest），用于啟動新的來賓操作系統(tǒng)實例。這個文件負責兩項任務，即使用和記錄。
Lguest 從 2.6.23（2007 年 10 月）開始就成為主流內(nèi)核，并且由 Rusty Russell 開發(fā)和維護。它大約包含 5000 行源代碼，包括用戶空間實用程序。盡管 Lguest 很簡單（據(jù)說是這樣的），但它能提供真正的準虛擬化。不過簡單性往往與局限性相隨。例如，Lguest 僅虛擬化其他支持 Lguest 的來賓操作系統(tǒng)，并且目前僅能用于 x86 架構。盡管存在這些限制，Lguest 仍然提供一種有趣的虛擬化方式，并且對任何希望研究 Rusty 的代碼的人員公開。
使用 Linux 作為內(nèi)核開發(fā) hypervisor 有實實在在的好處。最明顯的是，以 Linux 為基礎開發(fā) hypervisor 受益于穩(wěn)步前進的 Linux，以及為改進 Linux 投入的大量工作。從典型的優(yōu)化、bug 修復、調(diào)度和內(nèi)存管理創(chuàng)新到支持不同處理器架構，Linux 都是一個不斷進步的平臺（引自 Salisbury 市的 John 的 “站在巨人的肩膀上” 一文）。
不久前已經(jīng)證明，通過向 KVM 添加一個內(nèi)核模塊，就可以將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)變?yōu)?hypervisor。Lguest 進一步改進了這種方法，并且通過受限制的準虛擬化進一步簡化了該解決方案。
使用 Linux 作為平臺的另一個奇特好處是，除了可以將該平臺用作 hypervisor 之外，您還可以將其用作操作系統(tǒng)。因此，除了可以在 Linux hypervisor 上運行多個來賓操作系統(tǒng)之外，您還可以在該級別上運行其他傳統(tǒng)的應用程序。所以，不必擔心帶有新的應用編程接口（API）的新平臺，因為您擁有用于開發(fā)應用程序的標準 Linux 平臺（如果需要監(jiān)控應用程序或 hypervisor）。標準協(xié)議（TCP/IP）和其他有用的應用程序（Web 服務器）和來賓操作系統(tǒng)都是可用的?；仡櫼幌掠懻?KVM 時的 圖 4：除了來賓操作系統(tǒng)之外，還使用了修改了 KVM 的 QEMU。這是一個標準進程，并展示了 Linux 作為 hypervisor 的強大之處。KVM 在平臺虛擬化中利用 QEMU，并使用 Linux 作為hypervisor，因此實現(xiàn)了這個構思，即讓來賓操作系統(tǒng)能夠和其他 Linux 應用程序協(xié)調(diào)執(zhí)行。
在 hypervisor 開發(fā)的過程中，hypervisor 就是新開辟的戰(zhàn)場。3 年以前，操作系統(tǒng)是戰(zhàn)場的主線，并且控制了一小部分據(jù)點。然而，今天戰(zhàn)場已轉(zhuǎn)移到 hypervisor，并且 Linux 擔任一個明確的角色。
但是，也有聲音反對使用 Linux 作為 hypervisor，并且最劇烈的批評來自于夸夸其談的空論。在數(shù)年以前這種情況曾出現(xiàn)在嵌入式領域。今天，作為嵌入式操作系統(tǒng)的 Linux 已是不曾止步的強者。但是我們也有對付批評的辦法，通過一些架構上的改進可以讓 Linux 成為最強大、最普遍和更靈活的操作系統(tǒng)。
