虚拟化与分布式系统：原理、应用与研究进展

### 虚拟化与分布式系统：原理、应用与研究进展 #### 虚拟化技术概述 虚拟化是一种为客户提供系统底层硬件副本的方法，多个客户机可以在同一系统上运行，每个客户机都认为自己是本地操作系统并拥有完全控制权。虚拟化最初是IBM用于在大型机上隔离用户并为其提供独立执行环境的手段。随着系统和CPU性能的提升以及软件技术的创新，虚拟化如今已成为数据中心甚至个人计算机的常见功能。由于其广泛应用，CPU设计者也增加了支持虚拟化的特性，这种趋势有望持续下去。 虚拟化主要通过虚拟机管理器（VMM），即hypervisor来创建和运行虚拟机。传统的hypervisor主要分为以下三种类型： - **Type 0 hypervisors**：在硬件中实现，需要对操作系统进行修改以确保正常运行。部分Type 0 hypervisors是半虚拟化的例子，操作系统能感知虚拟化并协助其执行。 - **Type 1 hypervisors**：提供创建、运行和管理客户虚拟机所需的环境和功能。每个客户机包含与完整本地系统通常关联的所有软件，如操作系统、设备驱动程序、应用程序、用户账户等。 - **Type 2 hypervisors**：只是运行在其他操作系统上的应用程序，这些操作系统并不知道正在进行虚拟化。这类hypervisors没有硬件或主机支持，因此必须在进程上下文中执行所有虚拟化活动。 #### 虚拟化的示例 - **VMware Workstation架构**：展示了虚拟化层、主机操作系统（如Linux）、CPU、内存、硬件、I/O设备等组件，以及多个客户操作系统（如free BSD、Windows NT、Windows XP）及其对应的虚拟CPU、虚拟内存和虚拟设备。这种架构可以移动客户系统，提高系统管理效率和系统资源利用率。 - **Java虚拟机（JVM）**：Java是Sun Microsystems在1995年推出的流行面向对象编程语言。除了语言规范和大型API库外，Java还为Java虚拟机（JVM）提供了规范，这是编程环境虚拟化的一个例子。Java对象通过类构造指定，Java程序由一个或多个类组成。编译器为每个Java类生成与架构无关的字节码输出（.class）文件，该文件可在任何JVM实现上运行。 JVM是一个抽象计算机的规范，由类加载器和执行与架构无关字节码的Java解释器组成。类加载器从Java程序和Java API加载编译后的.class文件供Java解释器执行。类加载后，验证器会检查.class文件是否为有效的Java字节码，是否会导致栈溢出或下溢，以及字节码是否执行指针算术（可能导致非法内存访问）。如果类通过验证，则由Java解释器运行。JVM还通过垃圾回收自动管理内存，即回收不再使用的对象的内存并将其返回给系统。许多研究致力于提高虚拟机中Java程序性能的垃圾回收算法。 JVM可以在主机操作系统（如Windows、Linux或macOS）上以软件形式实现，也可以作为Web浏览器的一部分实现，还可以在专门设计用于运行Java程序的芯片上以硬件形式实现。如果以软件实现，Java解释器会逐次解释字节码操作。更快的软件技术是使用即时（JIT）编译器，当首次调用Java方法时，该方法的字节码会转换为主机系统的本地机器语言，并进行缓存，后续调用该方法时直接使用本地机器指令，无需再次解释字节码操作。以硬件形式运行JVM可能更快，特殊的Java芯片将Java字节码操作作为本地代码执行，无需软件解释器或即时编译器。 #### 虚拟化研究进展 近年来，机器虚拟化作为解决系统兼容性问题的手段越来越受欢迎，研究范围也扩展到了许多其他用途，包括支持运行在库操作系统