虛擬機(jī)：系統(tǒng)與進(jìn)程的通用平臺(tái)

安　虹　張　昱　吳俊敏

進(jìn)入21世紀(jì)，工藝技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的變化推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，賦予了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)新的含義?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)正在朝著片上多核、系統(tǒng)多級(jí)并行處理的方向發(fā)展，并且通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成功能更強(qiáng)大、應(yīng)用更廣泛的系統(tǒng)。在系統(tǒng)的物理資源大大增加的同時(shí)，系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)也變得極為復(fù)雜，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性、可用性、可管理性和安全性等方面都遇到了前所未有的、難以用單點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)解決的一系列問(wèn)題。1992年布特勒?蘭普遜(Butler Lampson)在他獲得圖靈獎(jiǎng)時(shí)發(fā)表的演說(shuō)中引用了大衛(wèi)?韋勒(David Wheeler)的名言：“計(jì)算機(jī)科學(xué)中的任何問(wèn)題都可以通過(guò)增加一個(gè)中間層來(lái)解決”，闡明了用虛擬化技術(shù)來(lái)解決這一系列問(wèn)題的大方向，揭示了虛擬機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)因的歷史必然。

《虛擬機(jī)：系統(tǒng)與進(jìn)程的通用平臺(tái)》一書(shū)的作者James E. Smith& Ravi Nair敏銳地觀察到了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)的這一重大變化，從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究者的角度，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口抽象層次中兩個(gè)最重要的接口——應(yīng)用的二進(jìn)制接口(Application Binary Interface, ABI)和應(yīng)用程序接口(Application Program Interface, API)為邊界，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的各種虛擬化技術(shù)劃分為進(jìn)程虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬機(jī)兩大類(lèi)展開(kāi)討論，清晰地展現(xiàn)了虛擬化技術(shù)各種方法的各個(gè)層面和各類(lèi)應(yīng)用。

教材結(jié)構(gòu)：

第1章首先引入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口的抽象定義，討論了虛擬化與各層接口的關(guān)系。然后從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念出發(fā)，對(duì)各種不同類(lèi)型的虛擬機(jī)進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，將虛擬機(jī)分為兩個(gè)主要類(lèi)型：進(jìn)程虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬機(jī)。

第2章至第6章側(cè)重討論進(jìn)程虛擬機(jī)。第2章討論在目標(biāo)指令集體系結(jié)構(gòu)(Instruction Set Architecture, ISA)上仿真源指令集體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)問(wèn)題，并以一種CISC源指令集Intel IA-32、一種RISC目標(biāo)指令集IBM PowerPC為例來(lái)說(shuō)明；然后以Shade系統(tǒng)為例介紹了二進(jìn)制翻譯技術(shù)。第3章討論進(jìn)程虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，包括指令集的仿真和主機(jī)操作系統(tǒng)接口的仿真，最后介紹實(shí)例FX!32系統(tǒng)。第4章討論通過(guò)代碼優(yōu)化獲得更好的仿真性能的技術(shù)，包括各種程序剖析技術(shù)，此外還討論了代碼重排序技術(shù)，最后介紹了Dynamo動(dòng)態(tài)二進(jìn)制代碼優(yōu)化器。第5章介紹高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，特別是它們支持面向?qū)ο缶幊毯桶踩奶卣?，這一章介紹了當(dāng)今兩個(gè)重要的面向?qū)ο筇摂M機(jī)——Java虛擬機(jī)和微軟的CLI。第6章進(jìn)一步討論高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并以Jikes RVM作為實(shí)例研究說(shuō)明本章的概念。

第7章至第9章側(cè)重討論系統(tǒng)虛擬機(jī)。第7章介紹協(xié)同設(shè)計(jì)虛擬機(jī)，并以Transmeta Crusoe處理器和IBMAS/400處理器的實(shí)例研究結(jié)束本章。第8章涉及經(jīng)典的系統(tǒng)虛擬機(jī)及其實(shí)現(xiàn)方法，包括本地虛擬機(jī)和宿主虛擬機(jī)。此外還討論對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三個(gè)主要資源：處理器、存儲(chǔ)器、I/O的虛擬化技術(shù)，以及如何用硬件來(lái)提高虛擬機(jī)的性能。本章給出的研究實(shí)例包括：VMware和Intel VT-x(Vanderpool)。第9章討論多處理器系統(tǒng)的虛擬化問(wèn)題，包括對(duì)不同指令集的客戶(hù)和主機(jī)平臺(tái)多處理器系統(tǒng)的虛擬化。

第10章介紹了虛擬機(jī)技術(shù)新興的應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)介紹了在安全領(lǐng)域(討論入侵檢測(cè)系統(tǒng)的原理以及虛擬機(jī)在系統(tǒng)攻防方面的應(yīng)用潛力)、移動(dòng)計(jì)算環(huán)境(討論了商業(yè)上的應(yīng)用：VMware的VMotion)、以及計(jì)算網(wǎng)格(展示典型的系統(tǒng)虛擬機(jī)對(duì)新興網(wǎng)格系統(tǒng)出現(xiàn)的重要作用)方面的應(yīng)用。

附錄為本書(shū)的主要章節(jié)提供了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的背景資料，討論了處理器、存儲(chǔ)器、I/O在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用。

虛擬機(jī)未來(lái)應(yīng)用的廣泛性意味著本書(shū)適合各種各樣的讀者，包括從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、語(yǔ)言和編譯、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等各個(gè)領(lǐng)域的教學(xué)和研發(fā)人員。本書(shū)的寫(xiě)作具有如下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)清晰。本書(shū)從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究者的角度，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口抽象層次中兩個(gè)最重要的接口——應(yīng)用的二進(jìn)制接口和應(yīng)用程序接口為邊界，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的各種虛擬化技術(shù)劃分為進(jìn)程虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬機(jī)兩大類(lèi)展開(kāi)討論，清晰地展現(xiàn)了虛擬化技術(shù)各種方法的各個(gè)層面和各類(lèi)應(yīng)用。(2)全面系統(tǒng)。作者從學(xué)術(shù)和工業(yè)應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)虛擬機(jī)技術(shù)幾十年的研究和發(fā)展歷史進(jìn)行了綜述，從體系結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和編譯，操作系統(tǒng)、系統(tǒng)安全等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域深入探討了虛擬機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。(3)理實(shí)交融。本書(shū)提供了大量實(shí)際虛擬機(jī)系統(tǒng)的原理說(shuō)明及詳實(shí)的參考文獻(xiàn)，包括Shade模擬系統(tǒng)、FX!32系統(tǒng)、Dynamo/RIO、Java和CLI等流行語(yǔ)言虛擬機(jī)、Jikes RVM、Transmeta Crusoe處理器、IBM的AS/400和z/VM系統(tǒng)、VMware的主機(jī)虛擬機(jī)、Intel的VT-x虛擬技術(shù)，以及多處理器虛擬系統(tǒng)——Cellular Disco。微軟、惠普及其他工業(yè)研究團(tuán)體的本領(lǐng)域研究人員對(duì)全書(shū)進(jìn)行了審閱。(4)面向未來(lái)。本書(shū)除在各章節(jié)討論了虛擬機(jī)技術(shù)的各種應(yīng)用以外，還在最后一章專(zhuān)門(mén)討論了一些新興的虛擬機(jī)應(yīng)用，包括安全領(lǐng)域(討論入侵檢測(cè)系統(tǒng)的原理以及虛擬機(jī)在系統(tǒng)攻防方面的應(yīng)用潛力)、移動(dòng)計(jì)算環(huán)境(討論了兩個(gè)商業(yè)上的應(yīng)用：VMware的Vmotion)、以及計(jì)算網(wǎng)格(展示典型的系統(tǒng)虛擬機(jī)對(duì)新興網(wǎng)格系統(tǒng)出現(xiàn)的重要作用)方面的應(yīng)用。

本書(shū)涉及的知識(shí)面較寬，包括計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、編譯和操作系統(tǒng)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境等許多方面；觀點(diǎn)較新，提出了許多全新的概念和方法。因此，譯文難免存在錯(cuò)誤和不足，希望與感興趣的老師共同交流和探討。