虚拟机:系统与进程的通用平台

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2024年1月6日发(作者：)

虚拟机：系统与进程的通用平台

进入21世纪，工艺技术的进步和计算机应用的变化推动了计算机体系结构的迅猛发展，赋予了计算机体系结构新的含义。现代计算机系统的硬件结构正在朝着片上多核、系统多级并行处理的方向发展，并且通过Internet网络互联起来，构成功能更强大、应用更广泛的系统。在系统的物理资源大大增加的同时，系统的物理实现也变得极为复杂，系统的可扩展性、可靠性、可用性、可管理性和安全性等方面都遇到了前所未有的、难以用单点的体系结构技术来解决的一系列问题。1992年布特勒·兰普逊(Butler Lampson)在他获得图灵奖时发表的演说中引用了大卫·韦勒(David Wheeler)的名言：“计算机科学中的任何问题都可以通过增加一个中间层来解决”，阐明了用虚拟化技术来解决这一系列问题的大方向，揭示了虚拟机技术发展动因的历史必然。

《虚拟机：系统与进程的通用平台》一书的作者James E. Smith& Ravi Nair敏锐地观察到了现代计算机体系结构发展趋势的这一重大变化，从计算机体系结构研究者的角度，以计算机系统接口抽象层次中两个最重要的接口——应用的二进制接口(Application Binary Interface, ABI)和应用程序接口(Application Program

Interface, API)为边界，将计算机系统资源的各种虚拟化技术划分为进程虚拟机和系统虚拟机两大类展开讨论，清晰地展现了虚拟化技术各种方法的各个层面和各类应用。

教材结构：

第1章首先引入了计算机系统接口的抽象定义，讨论了虚拟化与各层接口的关系。然后从计算机体系结构的概念出发，对各种不同类型的虚拟机进行了分类总结，将虚拟机分为两个主要类型：进程虚拟机和系统虚拟机。

第2章至第6章侧重讨论进程虚拟机。第2章讨论在目标指令集体系结构(Instruction Set Architecture, ISA)上仿真源指令集体系结构的相关问题，并以一种CISC源指令集Intel IA-32、一种RISC目标指令集IBM PowerPC为例来说明；然后以Shade系统为例介绍了二进制翻译技术。第3章讨论进程虚拟机的实现问题，包括指令集的仿真和主机操作系统接口的仿真，最后介绍实例FX!32系统。第4章讨论通过代码优化获得更好的仿真性能的技术，包括各种程序剖析技术，此外还讨论了代码重排序技术，最后介绍了Dynamo动态二进制代码优化器。第5章介绍高级语言虚拟机的体系结构，特别是它们支持面向对象编程和安全的特征，这一章介绍了当今两个重要的面向对象虚拟机——Java虚拟机和微软的CLI。第6章进一步讨论高级语言虚拟机的实现问题，并以Jikes RVM作为实例研究说明本章的概念。

第7章至第9章侧重讨论系统虚拟机。第7章介绍协同设计虚拟机，并以Transmeta Crusoe处理器和IBMAS/400处理器的实例研究结束本章。第8章涉及经典的系统虚拟机及其实现方法，包括本地虚拟机和宿主虚拟机。此外还讨论对计算机系统三个主要资源：处理器、存储器、I/O的虚拟化技术，以及如何用硬

件来提高虚拟机的性能。本章给出的研究实例包括：VMware和Intel

VT-x(Vanderpool)。第9章讨论多处理器系统的虚拟化问题，包括对不同指令集的客户和主机平台多处理器系统的虚拟化。

第10章介绍了虚拟机技术新兴的应用领域，重点介绍了在安全领域(讨论入侵检测系统的原理以及虚拟机在系统攻防方面的应用潜力)、移动计算环境(讨论了商业上的应用：VMware的VMotion)、以及计算网格(展示典型的系统虚拟机对新兴网格系统出现的重要作用)方面的应用。

附录为本书的主要章节提供了计算机系统结构的背景资料，讨论了处理器、存储器、I/O在计算机系统中的作用。

虚拟机未来应用的广泛性意味着本书适合各种各样的读者，包括从事计算机系统结构、语言和编译、操作系统、应用软件等各个领域的教学和研发人员。本书的写作具有如下特点：(1)结构清晰。本书从计算机体系结构研究者的角度，以计算机系统接口抽象层次中两个最重要的接口——应用的二进制接口和应用程序接口为边界，将计算机系统资源的各种虚拟化技术划分为进程虚拟机和系统虚拟机两大类展开讨论，清晰地展现了虚拟化技术各种方法的各个层面和各类应用。(2)全面系统。作者从学术和工业应用两个方面对虚拟机技术几十年的研究和发展历史进行了综述，从体系结构、程序设计语言和编译，操作系统、系统安全等多个专业领域深入探讨了虚拟机技术的应用。(3)理实交融。本书提供了大量实际虚拟机系统的原理说明及详实的参考文献，包括Shade模拟系统、FX!32系统、Dynamo/RIO、Java和CLI等流行语言虚拟机、Jikes RVM、Transmeta Crusoe处理器、IBM的AS/400和z/VM系统、VMware的主机虚拟机、Intel的VT-x虚拟技术，以及多处理器虚拟系统——Cellular Disco。微软、惠普及其他工业研究团体的本领域研究人员对全书进行了审阅。(4)面向未来。本书除在各章节讨论了虚拟机技术的各种应用以外，还在最后一章专门讨论了一些新兴的虚拟机应用，包括安全领域(讨论入侵检测系统的原理以及虚拟机在系统攻防方面的应用潜力)、移动计算环境(讨论了两个商业上的应用：VMware的Vmotion)、以及计算网格(展示典型的系统虚拟机对新兴网格系统出现的重要作用)方面的应用。

本书涉及的知识面较宽，包括计算机体系结构、编译和操作系统、应用开发环境等许多方面；观点较新，提出了许多全新的概念和方法。因此，译文难免存在错误和不足，希望与感兴趣的老师共同交流和探讨。

本文标签： 系统技术应用讨论体系结构