01為什么寫這本書

大約在2014年底，我參與了一個項目，使用Android模擬器在x86架構的機器上運行各種Android游戲。當時項目遇到的核心問題是游戲運行卡頓嚴重，印象中普通的小游戲每秒大約只能渲染十幾幀，大型游戲則完全無法成功加載。運行模擬器的機器都有頂配的顯卡，因此硬件性能并不存在問題。那么問題就出在軟件架構上了。當時采用的軟件架構是：使用虛擬機運行Android程序，Android中有一個模塊會將數據通過網絡傳送給另外一個本地應用進行渲染。對于游戲這種數據量很大的應用，采用網絡包傳輸顯然不是一個最優的方案。除了網絡包在協議棧中的各種復雜處理外，大量的網絡包傳輸會導致虛擬機和主機之間的頻繁切換，這將耗費大量的計算資源。基于此，我們設計的新方案是在VMM層實現一個虛擬設備，在Guest內部通過這個虛擬設備向渲染程序發送數據。虛擬設備通過IPC方式與負責渲染的程序進行通信。方案實現后，原來無法加載的大型游戲每秒都可以達到Android的渲染上限60幀。

2015年我參與了另外一個項目，將虛擬機的塊設備數據存儲到塊存儲集群。原有的方案是在宿主機上采用SCSI創建一個塊設備，然后將這個塊設備傳給Qemu，SCSI設備再通過iSCSI協議將塊數據傳遞給遠端塊存儲集群。這個方案有很多弊端，塊數據經歷了兩次I/O棧，一次是Guest內核中的，另外一次是Host內核中的，因此效率很低。另外，這個方案還有個致命的問題：那時偶爾會遇到內核中iSCSI協議的Bug，此時除了重啟宿主機外別無他法，而且那時熱遷移還不是很成熟，可以想象一下重啟宿主機的后果。為了解決這些問題，我們設計了另外一種方案，在Qemu中實現一個虛擬塊設備，繞過內核的I/O棧，在該虛擬塊設備中直接將塊數據通過TCP/IP發給塊存儲集群，從而不再依賴iSCSI協議。方案實現后，IOPS獲得了極大的提升，系統的穩定性也增強了。

經歷了很多類似上述的情況，因此我打算寫一本Linux系統虛擬化方面的書，希望能讓讀者更深刻地認識和理解系統虛擬化，于是我和本書的第二作者謝廣軍博士相約，一起撰寫本書。從2015年開始，歷時近6年，中間歷經多次易稿，從最開始過多地聚焦于煩瑣的技術細節，到嘗試從系統結構、操作系統和硬件等多角度去解釋原委。書中全部采用可以說明問題的早期代碼版本，而不是采用因各種特性迭代而變得紛繁復雜的最新代碼。

在這5年多的時間里，每每不想堅持時，就會想起自己年輕氣盛時經常質疑前輩們為我們留下了什么，而如今我捫心自問，從事了這么多年計算機工作，我又為這個行業做了什么？最后，希望本書能讓大家有所收獲。

02內容簡介

本書探討了軟件如何虛擬計算機系統，包括CPU、內存、中斷和外設等。此外，在云計算中，網絡虛擬化也至關重要，因此，本書最后一章探討了網絡虛擬化。

第1章討論CPU虛擬化。

這一章介紹了x86架構下的VMX擴展，討論了在VMX下虛擬CPU的完整生命周期。以Guest通過內存映射(MMIO)方式訪問外設為例，展示了KVM如何完整地模擬一個CPU指令。然后，我們探討了KVM是如何模擬多處理器系統的。最后，通過一個具體的KVM用戶空間部分的實例，帶領讀者直觀地體會CPU虛擬化的概念。

第2章討論內存虛擬化。

這一章首先簡略地介紹了內存尋址的基本原理，然后分別探討了實模式Guest以及保護模式Guest的內存尋址，包括大家比較熟悉的影子頁表等。最后，我們討論了在硬件虛擬化支持下，即EPT模式下從Guest的虛擬地址到Host的物理地址的翻譯過程。

第3章討論中斷虛擬化。

這一章我們從最初IBM PC為單核系統設計的PIC(8259A)開始，討論到為多核系統設計的APIC，再到繞開I/O APIC、從設備直接向LAPIC發送基于消息的MSI。最后，我們討論了Intel為了提高效率是如何從硬件層面對虛擬化中斷進行支持的，以及KVM是如何使用它們的。

第4章和第5章討論外設虛擬化。

我們從完全虛擬化開始，討論到半虛擬化，最后討論到Intel的VT-d支持下的硬件輔助虛擬化。其間，我們通過實現一個模擬串口，帶領讀者直觀地體會設備虛擬化的基本原理，然后帶領讀者深入了解Virito標準。最后，我們還探討了支持SR-IOV的DMA重映射和中斷重映射。

第6章討論網絡虛擬化。

以一個典型的Overlay網絡為例，從虛擬機訪問外部主機、外部主機訪問虛擬機兩個方面，分別探討了計算節點、網絡節點上的網絡虛擬化技術。

03本書讀者收獲

• 云計算從業人員

  虛擬化是云計算的基礎，運行各種服務的云主機都是通過虛擬化方式虛擬出來的，需要深入地掌握虛擬化技術。

• 云計算平臺的研發人員

  只有更好地掌握虛擬化技術，才能更好地管理云主機等計算資源。

• 云計算解決方案架構師

  只有更好地了解虛擬化技術，才能為客戶設計更合理的解決方案。

• 虛擬化相關底層技術的研發人員

  只要參透虛擬化技術，才能為用戶提供更高性能的云主機。

• IT技術從業者

  虛擬化技術是一門跨領域的技術，涉及操作系統、系統結構、硬件等多個領域。虛擬化提供了一個全方位窺探計算機技術的途徑，通過虛擬化技術，我們可以更好地研究在物理環境下無法觀察到的各種行為，虛擬化為研究計算機核心基礎技術提供了一個無與倫比的環境。

04

? ? 作者介紹? ??

王柏生

資深技術專家，先后就職于中科院軟件所、紅旗Linux和百度，現任百度主任架構師。在操作系統、虛擬化技術、分布式系統、云計算、自動駕駛等相關領域耕耘多年，有著豐富的實踐經驗。

著有暢銷書《深度探索Linux操作系統》(2013年出版)。

謝廣軍

計算機專業博士，畢業于南開大學計算機系。

資深技術專家，有多年的IT行業工作經驗。現擔任百度智能云副總經理，負責云計算相關產品的研發。多年來一直從事操作系統、虛擬化技術、分布式系統、大數據、云計算等相關領域的研發工作，實踐經驗豐富。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux串口中断_5年匠心之作，深度探索Linux虚拟化的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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