電腦王59期完全看懂虛擬化圖解

電腦王59期的完全看懂虛擬化上集，是原作者水球大大多年來的嘔心瀝血、化繁為簡之作，相信從目前的投票數看來，讀者們也都看得十分爽快。 為避免雜誌印刷糢糊導致讀者無法精讀其圖解，以下放上其全尺寸版本，欲引用請務必告知我們並註明來源。

為了確保多工作業系統的正常運作，我們必須保護作業系統核心、系統檔案與共用資源，避免遭到錯誤程式的破壞，所以至少需要兩種不同的運作權限：使用者模式（User Mode）跟系統模式（System Mode）。
此外，可能引起危險的處理器指令，都應定義成只能在系統模式執行的「特權指令（Privileged Instruction）」，硬體僅允許這些指令在系統特權模式執行。如在使用者模式執行，則將觸發處理器的例外（Exception）處理機制，再由作業系統的設陷（Trap，或稱為「軟體中斷」）機制，決定是否執行該指令，如上圖應用程式透過系統呼叫（System Call），要求得到更多記憶體。

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x86處理器的效能成長一日千里，催生x86平台的虛擬化應用，讓昔日只能在CISC大型主機與高階RISC伺服器上一親芳澤的虛擬化技術，逐步「下放」到x86世界。

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電腦從開機到載入作業系統的流程，是先進入能執行特權指令的「系統模式」，再啟動執行應用程式的「使用者模式」，才開始為你服務。

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任何程式的工作狀態都會儲存成TSS資料結構，x86處理器與作業系統就藉由反覆載入、回存TSS，以達成多工能力。那麼，「x86虛擬化世界的TSS」在哪裡呢？

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多工作業系統就是一種虛擬化應用，凡是執行系統特權指令、可能破壞系統強固性的應用程式，都統一透過系統呼叫介面、在作業系統監控下取得服務，不會直接存取底層硬體。

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在35年前，古聖先賢早已預言了「利於虛擬化的處理器指令集」應該有哪些特色。理所當然，先天不足後天失調的x86指令集，當仁不讓的成為「不及格」的那一群。

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為何x86處理器難以虛擬化？就讓這張圖告訴你真相。

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藉由精密複雜的二進位執行檔轉換機制，早期的VMware可支援多數x86平台作業系統（包含Windows），達成「全虛擬化」，代價就是極為肥大的VMM。資料來源：VMware。

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Intel VT-x與AMD-V在x86既有的四層（ring 0-3）特權層級外，新增「ring -1」攔截漏網之魚。如此一來，所有關鍵性指令都會強行觸發例外，VMM自然知道「啊，有人想亂搞」。

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既然VMM可攔截所有企圖更動系統底層組態的關鍵性指令，自然就可將其更替為「安全」的指令碼，再恢復其執行。

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VT-x與AMD-V不但利於VMM支援未經修改的作業系統，實現全虛擬化，且其定義的標準化系統資訊資料結構與系統控制指令，可進一步提高整體系統的效率。

進階閱讀：虛擬化技術的標準教科書

對於想進一步研究虛擬化技術的資訊科班學生與業界人士，筆者強力推薦《Virtual Machines: Versatile Platforms For Systems and Processes》，這是一本近年來難得一見的好書。細節請參考筆者兩年多前寫過的書評：

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