服务器虚拟化基础知识

服务器虚拟化基础知识：如何虚拟化？

关于服务器虚拟化的概念，各个厂商有自己不同的定义，然而其核心思想是一致的，即它是一种方法，能够通过区分资源的优先次序并随时随地能将服务器资源分配给最需要它们的工作负载来简化管理和提高效率，从而减少为单个工作负载峰值而储备的资源

虚拟机（VM）是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境

虚拟机，顾名思义就是虚拟出来的电脑，这个虚拟出来的电脑和真实的电脑几乎完全一样，所不同的是他的硬盘是在一个文件中虚拟出来的，所以你可以随意修改虚拟机的设置，而不用担心对自己的电脑造成损失，因此可以用来做试验什么的，呵呵，差不多就是这样了，不知道我说的能明白不^_^，简单说就是一句话，虚拟出来的电脑，你干什么都行。现在说一下虚拟机的软件，主要是两中，Virtual PC 和VMware。软件的选择也是有门道滴，嘿嘿，简单来说，VPC的设置很简单，一路next就行了，VM设置相对麻烦一些，不过也不是麻烦很多，但是VM拥有更好的性能，可以说和真实的电脑性能完全一样，还可以用桥接的方式和现在的电脑互连^_^，可以研究的东西就更多了，呵呵

虚拟机概念详解

比较通俗的回答（适合没有电脑基础的朋友）

虚拟机，顾名思义就是虚拟出来的电脑，这个虚拟出来的电脑和真实的电脑几乎完全一样，所不同的是他的硬盘是在一个文件中虚拟出来的，所以你可以随意修改虚拟机的设置，而不用担心对自己的电脑造成损失，因此可以用来做试验什么的，呵呵，差不多就是这样了，不知道我说的能明白不^_^，简单说就是一句话，虚拟出来的电脑，你干什么都行。现在说一下虚拟机的软件，主要是两中，Virtual PC 和VMware。软件的选择也是有门道滴，嘿嘿，简单来说，VPC的设置很简单，一路next就行了，VM设置相对麻烦一些，不过也不是麻烦很多，但是VM拥有更好的性能，可以说和真实的电脑性能完全一样，还可以用桥接的方式和现在的电脑互连^_^，可以研究的东西就更多了，呵呵

比较专业的回答（适合有一点电脑基础的朋友）

在一台电脑上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台机器，每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰，这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS、硬盘和操作系统，你可以像使用普通机器一样对它们进行分区、格式化、安装系统和应用软件等操作，还可以将这几个操作系统联成一个网络。在虚拟系统崩溃之后可直接删除不影响本

机系统，同样本机系统崩溃后也不影响虚拟系统，可以下次重装后再加入以前做的虚拟系统。同时它也是唯一的能在Windows和Linux 主机平台上运行的虚拟计算机软件。虚拟机软件不需要重开机，就能在同一台电脑使用好几个OS，不但方便，而且安全。虚拟机在学习技术方面能够发挥很大的作用。

虚拟机（virtual machine）

虚拟机（VM）是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象，这并不会影响运行在虚拟机外的程序操作和操作系统的正常工作。

虚拟机具有四种体系结构。第一种为“一对一映射”，其中以 IBM 虚拟机最为典型。第二种由机器虚拟指令映射构成，其中以 Java 虚拟机最为典型。Unix 虚拟机模型和 OSI 虚拟机模型可以直接映射部分指令，而其它的可以直接调用操作系统功能。

在真实计算机系统中，操作系统组成中的设备驱动控制硬件资源，负责将系统指令转化成特定设备控制语言。在假设设备所有权独立的情况下形成驱动，这就使得单个计算机上不能并发运行多个操作系统。虚拟机则包含了克服该局限性的技术。虚拟化过程引入了低层设备资源重定向交互作用，而不会影响高层应用层。通过虚拟机，客户可以

在单个计算机上并发运行多个操作系统。

微软虚拟服务器2005基于OSI虚拟机结构，主要几种于以下几点：主机操作系统，如 Windows Server 2003，主要控制主机系统。

虚拟机操作系统，如 Virtual Server 2005，包含控制虚拟机

的 VMM 虚拟层，为硬件仿真提供软件结构。

每个虚拟机由一组虚拟化设备构成，其中每个虚拟机都有对应的虚拟硬件。

客户操作系统和应用程序可以运行在虚拟机上，而不需要提供任何交互作用的网络适配器的支持。虚拟服务器只是物理以太网中的一种软件仿真设备。

虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

一般意义的虚拟机：

通过虚拟机软件，你可以在一台物理计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作，例如你可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等等。对于你而言，它只是运行在你物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就像是在真正的计算机中进行工作。因此，当我在虚拟机中进行软件评测时，可能系统一样会崩溃，但是，崩溃的只是虚拟机上的操作系统，而不是物理计算机上的操作系统，并且，使用虚拟机的“Undo”（恢复）功能，我可以马上恢复虚拟机到安装软件之前的状态。[

虚拟机的概念比较宽泛，通常人们接触到的虚拟机概念有VMwa re那样的硬件模拟软件，也有JVM这样的介于硬件和编译程序之间的软件。这里所指的是后者。

虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，具有一个指令集并使用不同的存储区域。它负责执行指令，还要管理数据、内存和寄存器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。

虚拟机并不是新技术，目前微软、JAVA等虚拟机都已经十分成熟，在一台电脑上安装一个虚拟机和多个操作系统，已经成为许多评测人员和计算机病毒分析人员必需工作条件。而将虚拟机技术应用到杀毒方面，却是一个杀毒业界一直在追求和探索的课题。“虚拟机杀毒技术”即是在电脑中创造一个虚拟CPU环境，将病毒在虚拟环境中激活，根据其行为特征，从而判断是否是病毒。有专家认为，所谓虚拟机技术，就是用软件先虚拟一套运行环境，让病毒先在该虚拟环境下运行，从而观察病毒的执行过程。这个技术主要用来应对加壳和加密的病毒，因为这两类病毒在执行时最终还是要自身脱壳和解密的，这样，杀毒软件就可以在其“现出原形”之后通过特征码查毒法对其进行查杀。

现在虚拟化几乎已经成为一个众所周知的术语，有些企业系统部分或者全部实现了虚拟化。在我们关于虚拟化技术的系列文章中，将在介绍有关虚拟化技术的新动向和实例外，还会介绍导入虚拟化的做法，以及帮助已经采用虚拟化的企业加强“虚拟化实力”。

首先，我们来谈谈虚拟化为何成为人们的关注焦点。

服务器虚拟化是最环保的技术？

虚拟化有很多种技巧，这里我们将主要解释有关在硬件上模拟运行两个或者更多操作系统的服务器虚拟化。

可以说，因为虚拟化技术避免了服务器使用浪费，所以这项技术获得了广泛应用。一般来说，一台服务器装载和使用一个物理服务器操作系统。一般服务器的平均CPU利用率仅为10%左右。

如果只运行一台服务器的话，保持这个状态没有什么问题。可是，如果运行多台服务器的话，这会导致CPU资源的极大浪费。

这就是服务器虚拟化引起人们关注的原因。虽然服务器虚拟化有很多种技巧，但是用VMware、Hyper-V和XenServer等模拟硬件来运行两个甚至更多操作系统的方法都是差不多的。使用这种方法的话，我们可以在一台物理服务器上的虚拟机中运行两个或者更多个环境。从服务器操作系统中看，这台虚拟机和物理服务器是是一样的。因为虚拟机可以装载包括Windows 4.0到Windows Server 2008的不同版本操作系统，以及Windows和Linux的混合环境，这都是服务器虚拟化吸引人们关注的亮点。

不管怎么说，不浪费大量空闲的物理服务器CPU资源应该是对系统管理者来说最大的优点。如果5台服务器被整合成为1台服务器的话，能耗也会大大削减。因此绿色IT也成为服务器虚拟化受到重视的原因之一。

服务器虚拟化可以没有浪费地使用服务器CPU

选择哪个服务器虚拟化软件？

物理服务器和服务器虚拟化软件是服务器虚拟化的必要组成部分。

现在市场中有各种各样的服务器虚拟化软件，不过VMware可以说是占据了大多数份额。VMware的ESXi是一款提供了虚拟化和基本服务器程序的软件，而另一方面，Infrastructure 3除了程序之外还捆绑了相关管理软件。

目前VMware的最大竞争对手恐怕就是Hyper-V了。Windows Server 2008除了提供Hyper-V之外，还提供了两个形式的Hyper-V Server，

这些都是免费的。Hyper-V的最大好处是让Windows Server 2008

可以使用多个硬件。

作为VMware的竞争产品，Citrix的XenServer也引来了人们的关注。XenServer是一款基于Xen hypervisor的开源虚拟化产品，其管理工具CUI是其最大的亮点。因为hypervisor最早是用于Linux服务器的，所以如果用户主要使用的是Linux服务器的话，尝试使用XenServer会更好一些。Citrix目前正在准备XenServer Express版本，而且未来还计划推出更高级别的版本。

那么，究竟应该选择哪种虚拟化软件呢？因为具体用法不同，所以我们不能在这里一概而论。如果就实际情况来说的化，应该是选择VMware吧。而且VMware可以说是虚拟化市场内的老牌厂商了，企业采用VMware的产品会更放心一些。而另一方面，微软的优势则在于免费的Hyper-V。因为Hyper-V是与Windows Server集成的，所以如果以微软产品作为系统的主要构成部分，与微软管理工具的集成度很高的话，使用Hyper-V更合适一些。而XenServer的最大特点是与Linux的高度集成性，因为XenServer最大价值的体现为围绕Linux服务器的。

硬件怎样做才好？

由于各种服务器虚拟化软件有所不同，所有我们在这里有必要详细谈谈服务器虚拟化的物理设备。共同点是是否装载了虚拟化功能的64

位CPU。即使已经确定在客户PC中采用了Intel或者AMD的CPU，也要详细说明采用的是Core 2双核或者四核、Core i6、Phenom还是Athlon。

内存容量是服务器虚拟化的关键因素，虚拟化可以提高CPU的利用率。因为如果5台服务器使用1GB虚拟内存，那么有必要安装5GB 内存，而且这是最低的。因此，确认内存的最大装载容量在虚拟化时代挑选服务器的关键点。

除此之外的另一个重要因素是网卡。因为VMware对网卡是有限制规定的，所以可能会出现即使安装了网络也不能访问的问题。同时，因为虚拟机是共享网络网卡的，如果用虚拟机运行需要频繁访问的应用，那么最好准备两个或者更多个网卡。

在存储方面，Hyper-V和XenServer也能灵活使用SATA HDD。另一方面，SCSI系统的HDD（例如SAS）主要是针对VMware设计的，现在还不能简单地使用SATA HDD（可以使用SATA对应的RAID 卡）。在外部存储（SAN、NAS和iSCSI）方面，服务器虚拟化的软件都是对应的。

虚拟机

通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通过虚拟机软件，你可以在一台物理计算机上

模拟出一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作，例如你可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等等。对于你而言，它只是运行在你物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就像是在真正的计算机中进行工作。因此，当我在虚拟机中进行软件评测时，可能系统一样会崩溃，但是，崩溃的只是虚拟机上的操作系统，而不是物理计算机上的操作系统，并且，使用虚拟机的“Undo”（恢复）功能，我可以马上恢复虚拟机到安装软件之前的状态。

目前流行的虚拟机软件有VMware和Virtual PC，它们都能在Windows系统上虚拟出多个计算机，用于安装Linux、OS/2、FreeBSD 等其他操作系统。微软在2003年2月份收购Connectix后，很快发布了Microsoft Virtual PC 2004。但出于种种考虑，新发布的Virtual PC 2004已不再明确支持Linux、FreeBSD、NetWare、Solaris等操作系统，只保留了OS/2，如果要虚拟一台Linux计算机，只能自己手工设置。相比而言，VMware不论是在多操作系统的支持上，还是在执行效率上，都比Virtual PC 2004明显高出一筹，这也是本文选择它的理由之一。

电脑一台变两台，学用Linux不再有后顾之忧

VMware 4.5有Workstation、GSX server等多种版本，其中Windows 版的Workstation应用最广，本文即以它为基础进行各种实战演习。

虚拟机的概念比较宽泛，通常人们接触到的虚拟机概念有VMware 那样的硬件模拟软件，也有JVM这样的介于硬件和编译程序之间的软件。这里所指的是后者。

虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，具有一个指令集并使用不同的存储区域。它负责执行指令，还要管理数据、内存和寄存器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。

Java虚拟机

一、什么是Java虚拟机

Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

1.为什么要使用Java虚拟机

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java 虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机

后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

2.谁需要了解Java虚拟机

Java虚拟机是Java语言底层实现的基础,对Java语言感兴趣的人都应对Java虚拟机有个大概的了解。这有助于理解Java语言的一些性质,也有助于使用Java语言。对于要在特定平台上实现Java虚拟机的软件人员,Java语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现Java 虚拟机的人来说,则必须深刻理解Java虚拟机的规范。另外,如果你想扩展Java语言,或是把其它语言编译成Java语言的字节码,你也需要深入地了解Java虚拟机。

3.Java虚拟机支持的数据类型

Java虚拟机支持Java语言的基本数据类型如下:

byte://1字节有符号整数的补码

short://2字节有符号整数的补码

int://4字节有符号整数的补码

long://8字节有符号整数的补码

float://4字节IEEE754单精度浮点数

double://8字节IEEE754双精度浮点数

char://2字节无符号Unicode字符

几乎所有的Java类型检查都是在编译时完成的。上面列出的原始数据类型的数据在Java执行时不需要用硬件标记。操作这些原始数据类型数据的字节码(指令)本身就已经指出了操作数的数据类型,例如iadd、ladd、fadd和dadd指令都是把两个数相加,其操作数类型别是int、long、float和double。虚拟机没有给boolean(布尔)类型设置单独的指令。boolean型的数据是由integer指令,包括integer返回来处理的。boolean型的数组则是用byte数组来处理的。虚拟机使用IEEE754格式的浮点数。不支持IEEE格式的较旧的计算机,在运行Java数值计算程序时,可能会非常慢。

虚拟机支持的其它数据类型包括:

object//对一个Javaobject(对象)的4字节引用

returnAddress//4字节,用于jsr/ret/jsr-w/ret-w指令

注:Java数组被当作object处理。

虚拟机的规范对于object内部的结构没有任何特殊的要求。在Sun 公司的实现中,对object的引用是一个句柄,其中包含一对指针:一个指针指向该object的方法表,另一个指向该object的数据。用Java 虚拟机的字节码表示的程序应该遵守类型规定。Java虚拟机的实现应拒绝执行违反了类型规定的字节码程序。Java虚拟机由于字节码定义的限制似乎只能运行于32位地址空间的机器上。但是可以创建一个Java虚拟机,它自动地把字节码转换成64位的形式。从Java 虚拟机支持的数据类型可以看出,Java对数据类型的内部格式进行了严格规定,这样使得各种Java虚拟机的实现对数据的解释是相同的,从而保证了Java的与平台无关性和可

移植性。

二、Java虚拟机体系结构

Java虚拟机由五个部分组成:一组指令集、一组寄存器、一个栈、一个无用单元收集堆(Garbage-collected-heap)、一个方法区域。这五部分是Java虚拟机的逻辑成份,不依赖任何实现技术或组织方式,但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。

1.Java指令集

Java虚拟机支持大约248个字节码。每个字节码执行一种基本的CPU运算,例如,把一个整数加到寄存器,子程序转移等。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。

Java指令集中的指令包含一个单字节的操作符,用于指定要执行的操作,还有0个或多个操作数,提供操作所需的参数或数据。许多指令没有操作数,仅由一个单字节的操作符构成。

虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{

取一个操作符字节;

根据操作符的值执行一个动作;

}while(程序未结束)

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。指令中操作数的数量和大小是由操作符决定的。如果操作数比一个字节大,那么它存储的顺序是高位字节优先。例如,一个16位的参数存放时占用两个字节,其值为:

第一个字节*256+第二个字节字节码指令流一般只是字节对齐的。指令tabltch和lookup是例外,在这两条指令内部要求强制的4字节边界对齐。

2.寄存器

Java虚拟机的寄存器用于保存机器的运行状态,与微处理器中的某些专用寄存器类似。

Java虚拟机的寄存器有四种:

pc:Java程序计数器。

optop:指向操作数栈顶端的指针。

frame:指向当前执行方法的执行环境的指针。

vars:指向当前执行方法的局部变量区第一个变量的指针。

Java虚拟机

Java虚拟机是栈式的,它不定义或使用寄存器来传递或接受参数,其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性(特别是对于寄存器数目不多的处理器)。

所有寄存器都是32位的。

3.栈

Java虚拟机的栈有三个区域:局部变量区、运行环境区、操作数区。

(1)局部变量区每个Java方法使用一个固定大小的局部变量集。它们按照与vars寄存器的字偏移量来寻址。局部变量都是32位的。长整数和双精度浮点数占据了两个局部变量的空间,却按照第一个局部变量的索引来寻址。(例如,一个具有索引n的局部变量,如果是一个双精度浮点数,那么它实际占据了索引n和n+1所代表的存储空间。)虚拟机规范并不要求在局部变量中的64位的值是64位对齐的。虚拟机提供了把局部变量中的值装载到操作数栈的指令,也提供了把操作数栈中的值写入局部变量的指令。

(2)运行环境区在运行环境中包含的信息用于动态链接,正常的方法返回以及异常传播。

·动态链接

运行环境包括对指向当前类和当前方法的解释器符号表的指针,用于支持方法代码的动态链接。方法的class文件代码在引用要调用的方法和要访问的变量时使用符号。动态链接把符号形式的方法调用翻译成实际方法调用,装载必要的类以解释还没有定义的符号,并把变量访问翻译成与这些变量运行时的存储结构相应的偏移地址。动态链接方法和变量使得方法中使用的其它类的变化不会影响到本程序的代码。

·正常的方法返回

如果当前方法正常地结束了,在执行了一条具有正确类型的返回指令时,调用的方法会得到一个返回值。执行环境在正常返回的情况下用于恢复调用者的寄存器,并把调用者的程序计数器增加一个恰当的数值,以跳过已执行过的方法调用指令,然后在调用者的执行环境中继续执行下去。

·异常和错误传播

异常情况在Java中被称作Error(错误)或Exception(异常),是Throwable类的子类,在程序中的原因是:①动态链接错,如无法找到所需的class文件。②运行时错,如对一个空指针的引用

·程序使用了throw语句。

当异常发生时,Java虚拟机采取如下措施:

·检查与当前方法相联系的catch子句表。每个catch子句包含其有效指令范围,能够处理的异常类型,以及处理异常的代码块地址。

·与异常相匹配的catch子句应该符合下面的条件:造成异常的指令在其指令范围之内,发生的异常类型是其能处理的异常类型的子类型。如果找到了匹配的catch子句,那么系统转移到指定的异常处理块处执行;如果没有找到异常处理块,重复寻找匹配的catch子句的过程,直到当前方法的所有嵌套的catch子句都被检查过。

·由于虚拟机从第一个匹配的catch子句处继续执行,所以catch子句表中的顺序是很重要的。因为Java代码是结构化的,因此总可以把某

个方法的所有的异常处理器都按序排列到一个表中,对任意可能的程序计数器的值,都可以用线性的顺序找到合适的异常处理块,以处理在该程序计数器值下发生的异常情况。

·如果找不到匹配的catch子句,那么当前方法得到一个"未截获异常"的结果并返回到当前方法的调用者,好像异常刚刚在其调用者中发生一样。如果在调用者中仍然没有找到相应的异常处理块,那么这种错误传播将被继续下去。如果错误被传播到最顶层,那么系统将调用一个缺省的异常处理块。

(3)操作数栈区机器指令只从操作数栈中取操作数,对它们进行操作,并把结果返回到栈中。选择栈结构的原因是:在只有少量寄存器或非通用寄存器的机器(如Intel486)上,也能够高效地模拟虚拟机的行为。操作数栈是32位的。它用于给方法传递参数,并从方法接收结果,也用于支持操作的参数,并保存操作的结果。例如,iadd指令将两个整数相加。相加的两个整数应该是操作数栈顶的两个字。这两个字是由先前的指令压进堆栈的。这两个整数将从堆栈弹出、相加,并把结果压回到操作数栈中。

每个原始数据类型都有专门的指令对它们进行必须的操作。每个操作数在栈中需要一个存储位置,除了long和double型,它们需要两个位置。操作数只能被适用于其类型的操作符所操作。例如,压入两个int 类型的数,如果把它们当作是一个long类型的数则是非法的。在Sun 的虚拟机实现中,这个限制由字节码验证器强制实行。但是,有少数操