硬體虛擬化的原理是什麼?

12-26

硬體虛擬化, 也就是你開啟虛擬機之後, 是虛擬機直接對接底層硬體的嗎?
這個問題是我在使用VirtualBox時的困惑, 我的CPU是Core i7-3537U 只有雙核四線程, 卻可以同時開7-8台虛擬機, 而且電腦不卡//沒有更多了, 但估計還能接著開

既然線程數量少於虛擬機分配CPU數量, 這個虛擬化在底層是如何實現的?

題主上圖: 圖為7台虛擬機開機的圖片, 其中一台還分配了雙CPU

你的CPU只有4個線程，不還是可以同時運行一大堆應用么。比如一邊看網頁，一邊聽音樂，一邊敲代碼，一邊編譯，等。

這在本質上和overcommit你的CPU來跑虛擬機沒什麼區別，就是個時分復用，由host OS的scheduler來調度各個線程/vCPU。因為你大多數的vCPU都是處於idle的狀態，於是它們本質上並不會佔用你的物理線程。你可以試試讓所有的虛擬機同時運行CPU bound的application來感受一下。

虛擬化：把一套硬體，通過一定的方式（開始是軟體的方式）模擬成多套硬體，給不同的系統使用。
硬體虛擬化：讓硬體來幫助虛擬化軟體，實現一部份虛擬化的功能，用來加速虛擬化操作。

不恰當，但是好理解的例子：有一台印表機，它連接在一部電腦上。只有這一部電腦才能使用它。為了讓不同電腦都能用上它，我們在這電腦上配置共享印表機的功能，就好比是軟體虛擬化。之後，印表機自己進化成網路介面，直接就可以面向不同電腦同時服務，這就成了硬體虛擬化。

實際的一個例子：網卡虛擬化。服務器的一個網卡，用軟體虛擬化的時候，有一個軟體組件，把這塊網卡與大量虛擬網卡連接在一起，組成一個虛擬的交換機網路。而支持硬體虛擬化的網卡，則可以以硬體映射的方式，把一塊網卡物理的映射給多台虛擬服務器，這個過程完成後，就不需要軟體中轉數據。

沒有虛擬化的時候，操作系統線程數量多於CPU的線程數你也沒有覺得奇怪啊，本質上還是時分復用，同一時刻同時運行的線程數肯定不會超過CPU的線程數。

VirtualBox細節沒看過，但是KVM我知道，虛擬機的VCPU對Host來說，就是一個線程，你開多個虛擬機，有多個VCPU，跟你在操作系統下開很多程序沒本質差別。

至於虛擬化底層怎麼處理的，你需要去看看CPU虛擬化和內存虛擬化的東西。
虛擬化技術原理與實現

虛擬化是有代價的，硬體虛擬化的意義在於：CPU通過特殊的指令和物理設計來減小這個代價。

比如說，過去內存管理是操作系統完成的，但是現代CPU支持了硬體層面的內存管理，提供了各種模式供操作系統使用，這些模式提供了不同的物理內存和虛擬內存之間的映射方式，提供了頁式內存管理的分頁緩存機制，提供了硬體層面的TLB加速分頁機制下的內管理操作。這些離不開操作系統的使用，但是因此，使用虛擬內存的操作系統就能獲得更好的性能。

虛擬化也是，支持硬體虛擬化的CPU，可以給會使用這一系列機制的虛擬機提供更好的性能。

每個虛擬機都是一個進程，你同時開8個程序會出現問題嗎，雖然其中一個程序還是雙線程

你可以看看6502虛擬機（紅白機）的實現，就會明白，虛擬機實現其實原理上很簡單，主要就是對cpu和內存的模擬，而cpu模擬，就是一堆if，每個指令的模擬都很簡單，比如add指令就簡單的用+就可以了，各種定址就是算個地址從一個buffer里讀個數據而已，內存的模擬就更簡單了，就一個數組就可以了，整個代碼量很小。虛擬器運行起來的效果是通過外設來體現的，主要是實現一個終端，這個也不難。好像還有其他實現虛擬的技術，沒有去了解，反正我自己覺得虛擬機並不神秘，就是一堆if+加一片數組的小程序。

硬體虛擬化是一個非常複雜的體系。intel的vt和amd的svm，都不是一兩句能說清楚的。簡單來說就是硬體層面支持虛擬化。
不過聽你的問題似乎不在於硬體虛擬化，而在於基本的操作系統和計算機知識。