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现代计算机体系结构，遵循冯诺依曼体系，一般而言，计算机有5大部件组成，

硬件部分，运算器，控制器都集成在cpu，都要经过电子通信线路传输给其他部件，运算器只要是把基于数据总线加载来的数据完成运算的，（cpu还有一级缓存，二级缓存，三级缓存，寄存器）一般而言，缓存的数字越大，造价越低，但是性能越差 RAM，随机访问存储器，random access memory，内存能把每一个存储单元都分配一个地址，基于地址的方式来进行访问的，32位的cpu最大寻址总线式宽度是32位，2的32次方，能够标识的最大存储地址范围 ，最小单位是字节，每一个数据是按位bits存储，但是对于内存存储器是以字节bytes最小存取单元，8bits

内存是易失性的存储，其内部无法长久保存

需要辅助的外部输入输出设备，cpu必须能够标识出IO设备，才能进行交互，因此每一个IO设备都应该有他的地址，IO设备有所谓的IO端口，空间是平面的，IO端口是0-65535，每个IO设备在计算机内部都需要标识，而后cpu与他通过固定地址进行交互

现在传统计算机内部有三种总线，控制总线，数据总线，地址总线（用来寻址）RAM有控制器，当cpu每一次都需要访问RAM中的某一个固定单元时，CPU就基于总线向RAM控制器发出存取信号,RAM控制器根据对方发来的地址信号来判定接下来，应该访问哪个存储单元，这种交互速度非常块，一般是以内存工作频率进行工作的，但是取决于你cpu的前端总线，后端总线等等各种总线交换的速率

计算机的5大核心部件是运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备，

服务器用到IO设备除了存储器用的最多，还有网络

如果不考虑并行运算，cpu只有单核，意味着硬件资源只有一组，在某一时刻运行的时候，就类似你的大脑，也只能是一个，但是现代的操作系统似乎能够同时执行多个进程，

这就是因为中间有操作系统存在，操作系统就是计算机的虚拟机，操作系统的出现，可以使得一台计算机可以同时运行多个程序，操作系统把底层的单组计算资源给虚拟化了，cpu是如何被多个程序使用的，持续复用，将整个cpu，运算的能力按照基于时间流逝的能力划分成时间片，time slips ，把时间片分给不同的程序，假设每5毫秒一片，第一个5毫秒给第一个进程，第二个5毫秒给第二个进程，以此轮流进行分配，使得单个cpu能够被多个进程所使用，好在每个程序分配的时间片足够计算完成，所以才能造成并行运算的假象，其实进程还是串行的，如果考虑只有一个核心的话， 、 内存只是一个平面化的存储空间，放了一个程序就没办法放第二个，否则会重叠覆盖冲突的，但是正是操作系统的存在，使得这个现状发生了改变，分隔虚拟，内存是实现了空间复用的，把一个内存空间给切割成很多单独的离散存储空间，页框，每一个页框大概是4K存储空间，把页框分配给一个又一个进程，分配给进程以后，进程所拿到的就不是整个地址空间，

c语言之类的，写汇编是可以直接操纵内存地址的，

内存，在物理层面上，是分了一个又一个很小的空间页框，然后每一个进程节点，告诉这个进程，你有所有空间可用，每一个进程都独立拥有4G内存可用，跟其他进程无关，所以每一个进程起来以后就立即知道，假设自己有4G内存可用，调用系统内核，底端的1G是给操作系统内核，之后3G是给进程，所以成需要可以在3G空间力翻转腾挪随意分配，

程序员写的时候，到底分配哪个地址空间，这个是线性的，从0-2的32次方-1的空间，可以随意使用，但是不是真正 的，一个进程起来以后并不能把3G内存空间全部用到

既然用的空间很少，那么把它跟真正的物理空间对于起来即可，毕竟是虚拟的，需要有附着点才可以，数据存在物理内存的某个页框中，在自己的线性地址，连续三个页面page，真正可能存储在物理空间中的三个并不连续的地址空间中，

当一个进程需要访问自己的数据的时候，它得到的地址是，拿到的地址应该是线性空间的地址，，这样，物理地址到线性地址进行映射，每一个进程都会有一个映射表，为了内核完成这个功能，得为每个进程保存一个进程结构，里面记录了进程的ID，PPid父进程id，有一大段空间记录了进程从线性地址到物理空间的映射关系， 每一次当进程访问自己空间中的数据的时，内核查这个表，去找到真正的对应的物理空间中的数据，对于数据访问来讲，就多了一层地址转换的过程地址有2的32次方个 ，假如一个进程用来300M的内存空间，这里面的映射关系是很多的，条目很多的化，找起来非常慢

就需要分层，任何平面化东西，一旦大量的找起来麻烦的时候，就需要分层（1级目录，2级目录，3级目录），最终用2个子目录找到了映射结果，三次查询就能找到了

事实上内核也把内存分隔成了三段，第一段10位（总32位），第二段10位，第三段12位，一级子目录比如有1024个，2级子目录有1024个，12次方就是4096个，在4096个找和32次方里找，显然很简单

cpu上有一个专门的硬件单元，MmU来实现，内存管理单元，负责在一个进程运行时，直接把映射表，装入到MMU，在MMU完成硬件级快速转换，对于每一个进程而言，其内部的地址映射关系，从物理地址，到线性地址，的映射关系叫页表，page table 这实际上是内存的过载使用，因为每个进程都假设自己有4G

对于linux来讲，最复杂的就是内存编号，内存按空间序列，序列是用两级方式来实现的，虚拟内存，称为空间复用 存储和网卡，多个程序要想使用，硬盘本身也是被虚拟化的，首先可以被分区，每一个区当一个设备，其次，文件系统实在硬盘之上附着的中间层，又一次把空间做了虚拟，能够实现所谓的按文件方式来存取，而不是按空间存取，文件系统本身就是把可利用的空格键，划割成很多的存取单元，而后让每一个需要存取的数据，拥有其中的一部分block，组织起来，就可以当作虚拟出来的单独的使用单位进行使用。

网卡，当前一台主机上如何让多个进程同时使用，网卡只有一个，是如何是实现连续报文发送供多个进程进行使用，持续复用，网卡只有一个，在某一刻只能像我们的交换机发一个电信号，

要想让多个进程都发送该如何，持续复用，网卡有队列，任何进程有报文需要发送，扔给网卡的队列，网卡从里面拿一个发一个，按先后次序，持续复用，网卡也是复用，被虚拟出来的，网卡发送信号是靠以太网网线中的线来实现的，

双绞线，一共4组，只有2组由用，每组只有一根有用，其他的是减少保留的，是减少通信时电信号干扰的，真正负责通信的只有两根线，一个接收，一个发送，所以网卡发信号的时候，只能是一个信号，最多只能一个报文，拿过来转换成物理电频信号，转换成010101发出 操作系统已经是一个虚拟机了，把有限的资源持续复用，就算是多核CPU，进程数量也是大于cpu核心数的，

虚拟化技术，要把从操作系统这里得到的资源，再一次分隔，（能否不让操作系统分隔有限资源）

虚拟化，vware work station，硬件之上有操作系统 ，操作系统有程序VMware Workstation等可以创建虚拟机，虚拟机上面也有操作系统，内核，有自己的配置和空间，能装操作系统就应该有具有操作系统的核心资源

也需要虚拟各种设备 底层有限的资源已经被操作系统虚拟过一次了，而后所谓的虚拟机软件程序,VMM，虚拟机管理器，能实现把有限的底层硬件资源，虚拟成硬件设备，并完成设备接口提供给再次安装的操作系统，虚拟机也需要完整的提供计算机5大部件（cpu，ram，io）

用软件给它实现一颗CPU，这个cpu拥有一颗真正cpu的接口，使得能够识别cpu 2级切割，首先内核将时间片切割以后分配给虚拟机，虚拟机内核拿到以后，虚拟机内部也需要一个进程，

切割以后拼成一个加的cpu的时间片，供虚拟机内部多个进程之间，分开使用

内存更麻烦。

内存本来就是两级结构虚拟的，每个进程都是虚拟的地址空间，这个虚拟地址空间被映射成物理地址空间中的存储空间工具，VMM本来就是个进程，启动虚拟机后，被分配了，一定意义上的内存空间，这个虚拟机拿到的内存空间，本来就是一个进程所拥有的线性地址空间，但是虚拟机又内核，要把这段空间当成真正的内存来使用，又是每一个进程都有虚拟

所以虚拟机中的内存在访问自己的地址时，这个地址被转换成物理地址（虚拟机进程的地址也是虚拟的），所以再一次被转换，即便有MMU转换，每一次转换也会很慢，cpu为了加速这个转换，还在cpu内部提供了一个缓存空间叫TLB，专门用来缓存这些转换的结果，转换后缓冲器，

虚拟机的内存中，每个进程应该有个页表，定义了从自己的线性地址到物理地址的映射关系，还需要一个页表，是虚拟机程序本身的进程，到真正意义上的物理地址的映射关系，还有一级页表

为了避免MMU转换太慢，就需要加速才可以，对它执行加速才可以，如果能把地址从虚拟机中的物理地址直接映射，不用中间，就需要外部的一个辅助关系 了，才能做到让虚拟机中进程的页表，或者地址，直接映射到真正意义上的物理地址上，

这个页表称为影子页表 shadow MMU 虚拟化技术

实现从虚拟机内部的进程地址到真正意义上的物理地址的直接映射，来加速的，，shadow MMU是靠软件来实现的，每一个进程都应该拥有，因此性能比较低下， 最麻烦的在于有多个虚拟机，每一个虚拟机内部都有进程，我们MMU的转换结果，是有缓存的，可以理解为从某个线性地址到物理地址的直接对应关系，

但是有多个虚拟机，第一个虚拟机，用的线性地址 ，1234，第二个可能也用到了 ，我们是否要转换成同样的物理地址，但是缓存是的确这么运作的，每一次cou运行一个虚拟机进程时，都需要把这个缓存进行情况，否则就会带来麻烦的，要想不麻烦就需要扩展功能，所以现代cpu在生产的时候，把内部的TLB多加了一项type（本来是的线性地址到物理地址的线性关系，但是无法标识哪个虚拟机），所以使得每个虚拟机都需要清空，所以在前面加一个字段，这个字段标识是哪一个虚拟机的，虚拟机iD 从此TLB就不叫TLB，而是TAGGED的TLB，因此以后不能清空了但是i早期的X86架构，都是新晋的平台，才拥有这些功能的，shadow MMU无论如何都是很低效的，因此后来的硬件级方面也都实现了，比如英特尔的CPU实现了扩展的页表，EPT而amd实现的是NPT x86架构，没有充分考虑虚拟化，从一开始设计的时候，就没有考虑到虚拟化是什么，虚拟化不是什么新技术,IBM上个世纪60年代已经在用了

cpu是整个计算机最核心的部件 了，其内部的所有功能，都是我们提供指令来实现，cpu指令集，内部的指令有大类，

特权指令，可以直接操控计算机硬件的

普通指令，做运算，任何让都能使用

当作环，外层指令，环1，环0，进程所能使用的仅是环3 的，内核能使用的是环0的，环1 ，环2历史原因未使用，

内核把底层的特权指令封装成了系统调用，哪些进程能使用，哪些进程自己发送调用，内核代为运行这个代码，进程发送调用，内核来判断你是否权限调用 为什么要给虚拟机模拟cpu就是为了不让它认为直接去底层内核调用，但是环0总是需要模拟出一个假象的，

虚拟的cpu有两个功能，1.非特权指令当虚拟机直接跑在物理cpu的环3上

2.内核跑特权上，要跑模拟的cpu上，所以模拟的cpu是用来跑环0的，也能模拟环3

只模拟环0，这叫虚拟化，如果环3都模拟了，这叫模拟器

如果虚拟化，只模拟环0，也意味着你虚拟机跑的架构还是和底层架构一样，因为看不到环3 是一模一样的，如果环3 是模拟，本来真正的环3 ，x86的指令集，但模拟出的可能是ARM的指令集

因此虚拟化，指的是虚拟出来的架构，和底层真正的架构应该是一致的，只是不能让虚拟机控制环0上的指令而已，

但是模拟的，环0和环3全是假的，因为模拟出来的架构和底层的架构可以不一样，可以异构。

如果X86架构模拟出一个powerpc 架构来，性能就弱爆 了

早期的苹果maxos只能跑在powerpc的cpu架构上，所以没办法跑在x86系统之上，

即便只模拟环0也会很慢，系统调用也需要时间，cpu运行在内核空间就是要执行环0指令的，即便是模拟环0，用软件实现转换，性能的损耗还是挺严重的，于是硬件上实现，

所以现在cpu支持虚拟化，中间多了一环，环0内部的-1环，如果要支持硬件虚拟化，就要用-1环，真正物理系统宿主机上的cpu，宿主机内核运行在环-1上的，虚拟机内核运行在环0 上，愉快使用环0，但是环0是假的，但是调用硬件级某个指令时，就直接触发模式转换，从虚拟机模式转换成物理机模式，由物理机来完成后续操作，不用专门模拟器来模拟环0 了，

这叫cpu的硬件虚拟化

对英特尔和AMD，都有自己的虚拟化技术AMD 的叫AMD-V，intel叫 inter-VT，正是有硬件虚拟化，才使得技术可以良好运行，

**硬盘设备，如何虚拟化，本地回环设备模拟一个文件为硬盘，在内核级本来就支持回环设备，因此可以把文件模拟成磁盘来使用

对每一个虚拟机来讲，要想用一个硬盘，首先模拟出一块硬盘来，这个硬盘的芯片架构和真正的硬盘可以不一样， 比如模拟的sici，物理的是STAT，两个之前要来回调用，性能差，中间多了模拟层，使得两级驱动，而虚拟机驱动是几乎没有用的，白白转换，存不下来，还需要再转到底层物理硬盘 让虚拟机中的内核知道自己驱动的不是真正的硬盘，只需要把信号封装一下，发送出去即可，不用真正去驱动硬盘设备， 让内核知道运行在虚拟机中的，当作虚拟的来用，这叫半虚拟化 同样是虚拟化，这样性能就提升了很多了，可以想象成几乎能直接访问物理硬盘了 **

网卡，假如网卡只有一个，虚拟机如何与外部通信，对于网卡如何虚拟话，在物理机上网卡本来就是持续复用的，每一个进程要想发送报文，就发送到网卡队列里，

真正到网络层级，需要虚拟化的不仅是网卡还包含，网络本身，两个虚拟机想要实现内部通信，提供给每一个虚拟机一个网络接口，还需模拟出一个网络， 如果需要和物理机通信，在物理机上也用一个软件模拟出一个网卡来，让它也连接到模拟的交换机上，这就是vwmare的仅主机，还有一个dhcp进程提供地址，此时它们还不能和外部通信 想要与外部通信物理机有物理网卡，NAT，加一个SNAT规则即可，不需要复杂的地方 nat方式有一个特点，在所有的外部主机看来访问是物理网卡地址，回复是回复给物理网卡 的，假如内部虚拟机做了web服务，有人想要访问你的web服务器，服务发布端口，内部私网主机暴露出去，expose，性能不会太好 因为性能不好，所以可以用到桥接， 把网卡当交换机来用，物理机虚拟出一台网卡来，关联在这个网卡上，并且把物理网卡的MAC地址剥夺过来，为虚拟网卡使用，每一个虚拟机也有一个虚拟网卡，连接到物理网卡上来，外部主机发来报文时，物理机和虚拟机，应该用着不同的mac地址才行，交换机就能把信息交换到不同的主机上去了，但事实上，并不会把网卡叫桥，而是把交换机做桥，（真正的网卡是桥，但是一般把叫虚拟出来的网卡叫做桥bridge） **但是依然面对两级转换问题，1.虚拟机内部，要驱动网卡，要物理机驱动真正的网卡向外发送报文，两级发送，如何加速，告诉它，你就是虚拟的，不要做转换，直接扔给物理网卡即可 **

IO设备有两种虚拟方式，一种叫完全虚拟化，一种是半虚拟化，

还有第三种，其实性能更好，（硬盘多几个，一个虚拟机一个，网卡多几个，一个虚拟机一个）直接使用硬件，IO透传技术，不让物理机中间转换了，性能提升很多（也有坏处，因为将来真正跑虚拟机的时候，是很多的物理机，使用透传技术，万一物理机挂了，另外的虚拟机迁徙过去，没有硬盘没有网卡就不能使用了）

主机虚拟化，

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