[发明专利]多虚拟化技术的自适应动态选择与应用

说明书

技术领域

本发明的一个或多个实施例涉及计算机系统虚拟化，更具体地说，涉及 一种系统化的、基于性能的方法，该方法用于动态选择并应用不同虚拟化技 术，以改善虚拟化环境中的应用和客户操作系统的执行性能。

背景技术

多种形式的计算机系统虚拟化已被用来改进在给定计算系统平台中提 供并可获得的物理资源能力的利用率，并取得了不同程度的成功。一般而言， 虚拟化使得多个计算机系统环境能够在给定硬件平台上在功能上并行执行。 这些计算机系统环境嵌入客户操作系统，并且通过虚拟化，可以在不同程度 上代表与底层的物理系统平台不同的计算平台。

虚拟化系统通常使用虚拟机监视器(VMM)来实现，VMM也被称作 系统监管器，其提供对一个或多个共同执行的虚拟机(VM)。每个虚拟机 代表封装了用于执行应用程序的地址空间、客户操作系统和虚拟平台的分立 执行环境。过去几年，已经提出并实现了多种用于实现虚拟机监视器的具体 方法。

至少理论上可以实现虚拟机监视器的传统虚拟化方法包括捕捉并仿真 (trap-and-emulate)、para-virtualization(超虚拟化)、和二进制翻译。捕 捉并仿真虚拟化依赖于平台中央处理单元(CPU)来实现特权模型，当在无 特权上下文中执行特权依赖指令时，该特权模型将发出异常。特权依赖指令 一般可以分类为那些直接修改执行CPU的安全状态的指令、那些执行行为 取决于执行上下文的特权级别而变化的指令、以及那些可以用来揭示CPU 的安全状态以使能条件式程序执行的指令。在所谓的经典可虚拟化的计算机 体系结构中，所有特权依赖指令当在无特权上下文中执行时将发出异常。

经典的捕捉并仿真虚拟化系统提供了虚拟机内的客户操作系统的直接 执行，尽管是在无特权的安全级别之下。在该系统中，虚拟机监视器在特权 级别下执行，在执行客户操作系统时产生的特权异常被虚拟机监视器捕捉。 捕捉的指令和相关的执行上下文随后被虚拟机监视器按需评估，以使能对调 用了所捕捉异常的预期客户操作系统功能的仿真。

更详细地，传统操作系统在名义上被实现以利用系统监管器/用户特权 系统。操作系统核和某些必要服务以监管权利执行，而非必要操作系统和用 户应用以缩减的用户权利执行。在典型的基于x86的体系结构中，环-0、1、 2和3特权级别由硬件控制支持。操作系统传统上在环-0特权级别上执行， 而用户应用通常在环-3上执行。一些专门的用户级别应用可以运行在环-1 上，并且由于与这里内容无关的原因，环-2很少被使用。环-0和更高的较 少特权的环之间的区分是由硬件体系结构安全控制在某些特权依赖指令在 环-0之外执行的情况下通过发出特权异常而在名义上被执行的。传统上，特 权异常被看作不可重新进入的事件，由于执行特权指令的用户级别程序通常 作为安全预防措施而被终止。然而，基于x86的体系结构支持重新启动调用 了特权捕捉异常的指令的执行的能力。特权异常的产生导致上下文切换至环 -0特权级别，在该级别异常被关联的异常处理机处理。

上下文切换和随后虚拟机监视器的仿真操作在客户操作系统的虚拟化 执行中增加了性能开销。因此，优化该开销性能是所有虚拟机实施方案中需 要考量的内容。遗憾的是，上下文切换和仿真开销不是仅有的甚至不是捕捉 并仿真虚拟化系统的主要问题。相反，主要问题是目前流行的x86体系结构 模型不是经典的可虚拟化体系结构。尽管许多特权依赖指令将适当地生成特 权异常，但是其它标准x86指令不能用来对应当被限于环-0执行的活动生成 特权异常。例如，多种x86指令可以被用来修改某些x86 CUP内寄存器的 内容，其中CPU内寄存器包含仅在环-0执行上下文中可修改的控制位。这 些寄存器中的其他位可以在环-0执行之外被有效写入。任何尝试在环-0执 行之外修改受环-0约束的控制位的x86指令将不仅不能产生特权异常，该尝 试性修改还将被默默忽略。此外，如果修改是由去特权的客户操作系统核来 尝试的，那么预期的核行为将不被实现。从而，这些指令的执行行为基于执 行的特权级别而不同。