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前面 虛擬化技術總覽 中從虛擬平台 VMM 的角度，將虛擬化分為 Hypervisor 模型和宿主模型，如果根據虛擬的對象（資源類型）來划分，虛擬化又可以分為計算虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化，再細一些，又有中斷虛擬化，內存虛擬化，字符/塊設備虛擬化，網絡功能虛擬化等。
我會將此作為一個系列來寫，本文先看 CPU 虛擬化。在這之前，我們先來籠統看下虛擬化的本質是什么，它到底是如何做到將 Host 的硬件資源虛擬化給 Guest 用，我這里用兩個詞來定義，intercept 和 virtualize，中文翻譯成截獲和模擬比較恰當一點，這兩個詞基本上是虛擬化的終極定義了，帶着這兩個詞去看每一種虛擬化類型，會發現很容易理解和記憶。
CPU 軟件虛擬化
基於軟件的 CPU 虛擬化，故名思議，就是通過軟件的形式來模擬每一條指令。通過前面的文章我們知道常用的軟件虛擬化技術有兩種：優先級壓縮和二進制代碼翻譯。這兩種是通用技術，可以用在所有虛擬化類型中。我們就結合 intercept 和 virtualize 來看看 CPU 軟件虛擬化是怎么做的。
首先，一些必須的硬件知識要知道，X86 體系架構為了讓上層的軟件（操作系統、應用程序）能夠訪問硬件，提供了四個 CPU 特權級別，Ring 0 是最高級別，Ring 1 次之，Ring 2 更次之，Ring 3 是最低級別。
一般，操作系統由於要直接訪問硬件和內存，因此它的代碼需要運行在最高級別 Ring 0 上，而應用程序的代碼運行在最低級別 Ring 3 上，如果要訪問硬件和內存，比如設備訪問，寫文件等，就要執行相關的系統調用，CPU 的運行級別發生從 Ring 3 到 Ring 0 的切換，當完成之后，再切換回去，我們熟悉的用戶態和內核態切換的本質就來自這里。
虛擬化的實現也是基於這個思想，VMM 本質上是個 Host OS，運行在 Ring 0 上，Guest OS 運行在 Ring 1 上，再往上是相應層次的應用程序運行在 Ring 2 和 Ring 3 上。
當 Guest OS 或上層應用在執行相關的特權指令時，就會發生越權訪問，觸發異常，這個時候 VMM 就截獲（intercept）這個指令，然后模擬（virtualize）這個指令，返回給 Guest OS，讓其以為自己的特權指令可以正常工作，繼續運行。整個過程其實就是優先級壓縮和二進制代碼翻譯的體現。
CPU 硬件虛擬化
上面的這種截獲再模擬的純軟件的虛擬化方式，勢必是性能非常低的。那怎么樣提高性能呢，有一種改進的方式是修改 Guest OS 中關於特權指令的相關操作，將其改為一種函數調用的方式，讓 VMM 直接執行，而不是截獲和模擬，這樣就能在一定程度上提高性能。
但這種方式並不通用，要去改 Guest OS 的代碼，只能看作是一種定制。為了能夠通用，又能夠提高性能，就只能從硬件上去做文章了。所以，后來，以 Intel 的 VT-x 和 AMD 的 AMD-V 為主的硬件輔助的 CPU 虛擬化就被提出來（Intel VT 包括 VT-x （支持 CPU 虛擬化）、EPT（支持內存虛擬化）和 VT-d（支持 I/O 虛擬化））。
CPU 硬件輔助虛擬化在 Ring 模式的基礎上引入了一種新的模式，叫 VMX 模式。它包括根操作模式（VMX Root Operation）和非根操作模式（VMX Non-Root Operation）。
這兩種模式都有 Ring 0 - Ring 3 的特權級。所以，在描述某個應用程序時，除了描述其屬於哪個特權級，還要指明其處於根模式還是非根模式。
引入這種模式的好處就在於，Guest OS 運行在 Ring 0 上，就意味着它的核心指令可以直接下達到硬件層去執行，而特權指令等敏感指令的執行則是由硬件輔助，直接切換到 VMM 執行，這是自動執行的，應用程序是感知不到的，性能自然就提高了。
這種切換 VT-x 定義了一套機制，稱為 VM-entry 和 VM-exit。從非根模式切換到根模式，也就是從 Guest 切換到 Host VMM，稱為 VM-exit，反之稱為 VM-entry。
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VM-exit ： 如果 Guest OS 運行過程中遇到需要 VMM 處理的事件，比如中斷或缺頁異常，或者主動調用 VMCALL 指令調用 VMM 服務的時候（類似於系統調用），硬件自動掛起 Guest OS，切換到根模式，VMM 開始執行。
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VM-entry： VMM 通過顯示調用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切換到非根模式，硬件自動加載 Guest OS 的上下文，Guest OS 開始執行。
KVM CPU 虛擬化
KVM 是一種硬件輔助的虛擬化技術，支持 Intel VT-x 和 AMD-v 技術，怎么知道 CPU 是否支持 KVM 虛擬化呢？可以通過如下命令查看：
# grep -E '(vmx|svm)' /proc/cpuinfo
如果輸出是 vmx 或 svm，則表明當前 CPU 支持 KVM，Intel 是 vmx，AMD 是svm。
從本質上看，一個 KVM 虛擬機對應 Host 上的一個 qemu-kvm 進程，它和其他 Linux 進程一樣被調度，而 qemu-kvm 進程中的一個線程就對應虛擬機的虛擬 CPU （vCPU），虛擬機中的任務線程就被 vCPU 所調度。
比如下面這個例子，Host 機有兩個物理 CPU，上面起了兩個虛擬機 VM1 和 VM2，VM1 有兩個 vCPU，VM2 有 3 個 vCPU，VM1 和 VM2 分別有 2 個 和 3 個線程在 2 個物理 CPU 上調度。VM1 和 VM2 中又分別有 3 個任務線程在被 vCPU 調度。
所以，這里有兩級的 CPU 調度，Guest OS 中的 vCPU 負責一級調度，Host VMM 負責另一級調度，即 vCPU 在物理 CPU 上的調度。
我們也可以看到，vCPU 的個數，可以超過物理 CPU 的個數，這個叫 CPU 「超配」，這正是 CPU 虛擬化的優勢所在，這表明了虛擬機能夠充分利用 Host 的 CPU 資源，進行相應的業務處理，運維人員也可以據此控制 CPU 資源使用，達到靈活調度。
OK，CPU 虛擬化就到這里，下篇文章將講述內存虛擬化。覺得寫得湊合可以給個贊，謝謝大家的支持。
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