基于混合虛擬化技術(shù)的計算機性能優(yōu)化研究及應(yīng)用

邱云樂

摘要在日常生活中，計算機扮演者越來越重要的角色，但是目前的計算機性能仍然存在很大的優(yōu)化空間，筆者結(jié)合計算機虛擬化技術(shù)，介紹了優(yōu)化計算機性能的方法，融合了虛擬化技術(shù)和輔助虛擬化技術(shù)的方案，可以有效改善計算機性能，可以提升虛擬機性能。計算機虛擬技術(shù)的出現(xiàn)是隨著計算機技術(shù)的進步而產(chǎn)生的，計算機技術(shù)的進步推動了虛擬技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)對于資源的利用效率逐步提升。在當(dāng)今階段，數(shù)據(jù)的整合已經(jīng)具備了新的特點，不斷改進計算機虛擬技術(shù)，可以適應(yīng)時代發(fā)展的要求，利用計算機虛擬技術(shù)的不斷創(chuàng)新營造新的經(jīng)濟増長點，在加快產(chǎn)業(yè)進步的同時，還能帶來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，本文詳細(xì)介紹了混合虛擬的各種技術(shù)，介紹了多種實現(xiàn)方案，并對其優(yōu)缺點進行了詳細(xì)的分析，除了計算機性能設(shè)計的優(yōu)化，在其他方面也有應(yīng)用的積極意義。

關(guān)鍵詞混合虛擬化技術(shù)虛擬機計算機性能

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著計算機技術(shù)的大范圍普及應(yīng)用，虛擬化技術(shù)在各個研究領(lǐng)域都獲得了大范圍的應(yīng)用，借助虛擬機，可以有效提升服務(wù)器的服務(wù)效率，提升服務(wù)器的運行能力。目前，虛擬機技術(shù)借助虛擬化技術(shù)實現(xiàn)輔助虛擬化，雖然在實現(xiàn)虛擬化的方法上還存在著一些不足，但是虛擬化方案的改進和完善已經(jīng)有了研究眉目。隨著虛擬化技術(shù)的進步，各種系統(tǒng)虛擬化技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，使得計算機資源的利用效率獲得飛速提升，在當(dāng)前階段，數(shù)據(jù)的整合具有了不同以往的特點，為了適應(yīng)時代發(fā)展的需要，虛擬技術(shù)需要在不斷創(chuàng)新和改進的基礎(chǔ)上獲得綜合提升。下文介紹的就是詳細(xì)的系統(tǒng)虛擬技術(shù)，通過提升這項技術(shù)，可以改善虛擬化技術(shù)，通過不同方案特點的比較，本文介紹了系統(tǒng)虛擬的優(yōu)點和缺點，對于計算機性能的優(yōu)化方面，也提出了一些可行的方案。

1關(guān)于虛擬化技術(shù)的介紹

1.1混合虛擬化技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬化技術(shù)的手段不斷創(chuàng)新，常見的有服務(wù)器虛擬化技術(shù)和系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，服務(wù)器虛擬化技術(shù)是對數(shù)據(jù)進行了重新歸類和部署管理，讓數(shù)據(jù)得到更高效的配置，提高了數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率，減小了數(shù)據(jù)的損耗，系統(tǒng)虛擬化技術(shù)使得管理的方法更加高效，計算機服務(wù)更加經(jīng)濟和靈活，不同的技術(shù)從不同方面提升了虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)水平，學(xué)術(shù)研究也對虛擬化技術(shù)的提升起到了促進作用。系統(tǒng)虛擬化是指利用計算機系統(tǒng)虛擬化出一臺虛擬的計算機系統(tǒng)，使物理上的一臺計算機在邏輯上變?yōu)閮膳_，相對于傳統(tǒng)的計算機而言，虛擬的計算機系統(tǒng)不會占用系統(tǒng)的全部資源，同時還降低了數(shù)據(jù)的利用效率，導(dǎo)致大部分有可能被浪費的資源不再被浪費，扭轉(zhuǎn)了資源大量消耗的局面。在實踐中大規(guī)模的運用虛擬化技術(shù)，可以提升計算機的利用效率，為了保證系統(tǒng)虛擬化的高效率，一般將虛擬化的層次安插在物理層和操作層之間，然后利用虛擬化平臺，設(shè)置出獨立的虛擬化硬件，虛擬化系統(tǒng)是要耗用一部分硬件資源的，當(dāng)前的虛擬化平臺就是利用虛擬化的硬件，例如CPU等設(shè)備，為虛擬化平臺提供技術(shù)支持，運行虛擬平臺的虛擬機具有一定的獨立性和差異性，有利于具有特殊性的虛擬系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)。

1.2虛擬技術(shù)的優(yōu)化方案

虛擬技術(shù)有多重優(yōu)化方案，按照方案邏輯的嚴(yán)密程度，可以劃分成準(zhǔn)虛擬化技術(shù)和完全虛擬化技術(shù)。第一類為準(zhǔn)虛擬化技術(shù)，利用虛擬平臺通過虛擬機對監(jiān)視器進行重新定義，有可能需要修改虛擬機的操作程序，為了滿足虛擬機對于環(huán)境的高要求，實現(xiàn)虛擬化的高效性，還存在著一種完全虛擬技術(shù)。完全虛擬技術(shù)是指將虛擬平臺的運行和虛擬機保持完全一致，讓虛擬機系統(tǒng)修改操作系統(tǒng)。根據(jù)實踐檢驗，虛擬機對于應(yīng)用者給予虛擬機的指令有很強的傳導(dǎo)性，為了保證虛擬機系統(tǒng)的正常運行，虛擬機需要對數(shù)據(jù)和指令進行正確處理。完全虛擬方案的實現(xiàn)前提，就是系統(tǒng)不需進行修改，可以將指令代碼迅速的轉(zhuǎn)換成機器代碼，對于CPU系統(tǒng)而言，由于指令代碼無需轉(zhuǎn)換，因此無法實現(xiàn)虛擬化。對于系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的與虛擬化相關(guān)的敏感指令，可以進行詳細(xì)的轉(zhuǎn)化，本文介紹的指令是wine指令、sky eye指令和qemu指令。系統(tǒng)虛擬化有多重解決方案，一些比較典型的解決方案例如硬件虛擬化就是常見解決方案。硬件虛擬化擁有完整的定義，在硬件虛擬化模式下，通過增加硬件的層次，可以完全解決問題，通過指令對硬件進行有效的訪問，當(dāng)虛擬器獲取指令之后，對指令進行處理，會實現(xiàn)與真實計算機相仿的環(huán)境，保證計算機運行的高效率，根據(jù)調(diào)查可知，硬件輔助虛擬化技術(shù)中，應(yīng)用交廣的是X86技術(shù)和VT技術(shù)。

準(zhǔn)虛擬化技術(shù)是對虛擬化技術(shù)的內(nèi)核進行了修改，為了防止虛擬化的指令當(dāng)中出現(xiàn)敏感指令，讓虛擬化技術(shù)存在應(yīng)用風(fēng)險，在虛擬化技術(shù)的方案中增加了壓縮技術(shù)，最為典型的應(yīng)用就是壓縮環(huán)技術(shù)，即在傳統(tǒng)的操作層面增加了物理層，讓物理層深入到虛擬層之中，當(dāng)前最為常用的平臺就是利用了物理層虛擬化，比較具有代表性的云計算提供平臺，例如阿里巴巴和華為公司等，就是利用的準(zhǔn)虛擬化技術(shù)。

完全虛擬化技術(shù)和準(zhǔn)虛擬化技術(shù)都有缺點和優(yōu)勢，準(zhǔn)虛擬化技術(shù)的優(yōu)點是增加了虛擬機與物理機的差異性，讓物理層和虛擬機實現(xiàn)了一對一和一對多的關(guān)系，從而可以幫助用戶大范圍的降低成本，同時操作系統(tǒng)因此具備了大范圍的普適性，可以再無需修改技術(shù)的前提下，實現(xiàn)虛擬機系統(tǒng)的高適用性，同時此方案也存在著一些不足，為了實現(xiàn)降低系統(tǒng)性能的需求，與沒有實現(xiàn)虛擬化的技術(shù)相比，可以讓虛擬機的性能有所下降，通?？梢越档桶俜种笥遥m然在現(xiàn)實應(yīng)用當(dāng)中具備一定的局限性，但是更加適用于小型的系統(tǒng)。硬件輔助虛擬化技術(shù)的最大優(yōu)點就是能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的虛擬化，為了讓系統(tǒng)的虛擬化更加合適，同時考慮到兼容性等一些強化功能，讓系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，還能提升系統(tǒng)運行的空間。軟件系統(tǒng)運行的靈活性和適應(yīng)性以及連續(xù)性等問題都需要系統(tǒng)的簡化性來支持，如何降低系統(tǒng)的漏洞和程序的設(shè)計風(fēng)險就是研究的主要方面。計算機設(shè)計程序的解決方案永遠(yuǎn)無法達(dá)到完美的境地，計算機應(yīng)用程序的實用性也需要逐步進行加強。

準(zhǔn)虛擬化技術(shù)也是具備很多優(yōu)點的，例如純軟件虛擬化就為技術(shù)的實現(xiàn)提供了解決方案，降低了冗余信息的成本，避免了內(nèi)存出現(xiàn)復(fù)制等巨大問題。同時，由于語義存在理解問題，一些處于虛擬層面的操作系統(tǒng)和實際操作系統(tǒng)之間往往容易出現(xiàn)不足，消除不足的方法可以有效提升系統(tǒng)的利用效率，但是實踐之中如何利用系統(tǒng)還有考量的余地，最困擾大家的方案則是虛擬器如何設(shè)置監(jiān)視器。

2利用混合虛擬技術(shù)實現(xiàn)計算機性能的優(yōu)化設(shè)計

2.1如何進行混合虛擬設(shè)計

當(dāng)前理論研究的重點在于如何通過虛擬機性能的設(shè)置測試虛擬機優(yōu)化方案的效果，根據(jù)實踐當(dāng)中對虛擬機技術(shù)融入虛擬化和輔助設(shè)備的技術(shù)特點，如何通過發(fā)揮虛擬技術(shù)和輔助技術(shù)的優(yōu)勢，彌補兩者之間的不足，提升虛擬系統(tǒng)的整體性能，可以解決具有廣泛性和普遍性的問題。根據(jù)研究結(jié)論，目前可以實現(xiàn)的設(shè)計途徑有，利用硬件輔助虛擬技術(shù)，實現(xiàn)內(nèi)存和cpu 的虛擬化。在內(nèi)存虛擬技術(shù)的作用下，實現(xiàn)了I/O的虛擬化，讓控制其運行的不再是模擬執(zhí)行狀態(tài)，發(fā)生幾率也有所降低，從而可以大范圍的降低運營成本，在現(xiàn)階段，投入虛擬機技術(shù)的方案中操作性最強的就是虛擬機及技術(shù)和混合輔助虛擬技術(shù)，二者實現(xiàn)的途徑是一致的，只是在細(xì)節(jié)方面存在著一定差異，在可操作性的實現(xiàn)方面，稍微存在不足。

2.2 PVM技術(shù)

PVM技術(shù)的缺點在于如果缺少技術(shù)方案的支持，將會導(dǎo)致虛擬技術(shù)實現(xiàn)不利，受到壓縮技術(shù)的影響，虛擬機的監(jiān)控器擁有最高權(quán)限，其內(nèi)核能夠在閉環(huán)通道上運行，雖然該架構(gòu)運行在系統(tǒng)之內(nèi)，增加了系統(tǒng)運行的消耗，但是該模式與用戶模式的權(quán)限環(huán)相比，由于處于不同的空間，虛擬機的監(jiān)視器需要調(diào)取更多的系統(tǒng)行為，導(dǎo)致系統(tǒng)的可執(zhí)行路徑不足，從而系統(tǒng)的性能不夠，為了解決上述難題，實踐中會選用混合虛擬化技術(shù)，采用混合虛擬化技術(shù)可以提升系統(tǒng)分隔權(quán)限，恢復(fù)系統(tǒng)分隔定義，消除壓縮技術(shù)的影響，將運行成本壓縮到最低。PVM已經(jīng)有了虛擬化的方案，可以通過移植解決系統(tǒng)運行的權(quán)限問題，同時由于系統(tǒng)的硬件輔助頁面有支持系統(tǒng)，可以通過虛擬機的翻譯作業(yè)加快操作速度，該種方法雖然依然存在不足，但是可以改變外部加載模塊，但是由于在啟動的時候難以自動啟動，還需要運行外部的加載模塊。

2.3 HPV技術(shù)

由于CPU和內(nèi)存虛化技術(shù)的提升，硬件輔助虛化技術(shù)的應(yīng)用日益普及，CPU和內(nèi)存的優(yōu)化方案都得到了有效解決，但是I/O的虛化問題還是沒能解決，在I/O 的負(fù)荷比較密集的情況下，HVM還是難以及時處理I/O的負(fù)荷比較密集的問題，如果遇到I/O引起虛擬機進入到模擬執(zhí)行操作模式，將會隨之而來產(chǎn)生大量的冗余操作問題，混合虛擬方案的解決，需要在原有的模式下，解決PVM的問題，提升虛擬機的利用效率。HVM使得CPU的內(nèi)存得以虛擬化，采用了授權(quán)技術(shù)和通道技術(shù)，借助Xen技術(shù)，改進了I/O的虛擬性能。采用虛擬接口的方法處理信息，減少了HVM內(nèi)核的代碼的修改的幾率，原本的HVM性能處理會改變常見的性能問題，這種方案設(shè)計的優(yōu)點在于可以讓系統(tǒng)內(nèi)核的邏輯性得以恢復(fù)，加強了調(diào)試方法的便捷化優(yōu)勢，原本HVM的性能問題會因為系統(tǒng)內(nèi)核的邏輯的反復(fù)適用而增加便捷化，降低耦合度，最終實現(xiàn)自啟動功能。

2.4混合解決方法

Xen虛擬平臺有特權(quán)虛擬機構(gòu)和虛擬監(jiān)控器組成，通過虛擬監(jiān)控器管理虛擬化的各種資源，負(fù)責(zé)虛擬機的接口正常運轉(zhuǎn)，在平臺上運行的虛擬機有兩種類型，分別是標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬機和類型化的虛擬機，在實際操作中，平臺支持的有x86虛擬機和Embedded等虛擬機。經(jīng)過筆者分析，類似的平臺都具備可移植性和廣泛的適用性。PVM和HVM都是虛擬化技術(shù)的硬件輔助虛擬化方案，可以實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢互補，提升虛擬機的運行效率，與PVM不同的是，HVM具有更加強大的可行性，并且具有更加強大的可操作性，在Xen虛擬機運行的模式下，為了保證開發(fā)者開發(fā)的有效性和可靠性，必須在開發(fā)過程中加入混合虛擬技術(shù)使得混合虛擬的技術(shù)得到高效發(fā)揮，其中涉及到的應(yīng)用有中斷處理技術(shù)和設(shè)備驅(qū)動技術(shù)等輔助技術(shù)。

2.5優(yōu)化虛擬機

混合虛擬優(yōu)化技術(shù)就是借助了不同的技術(shù)模式，對虛擬機進行了優(yōu)化，提升了虛擬機的運行效能，在實際操作中，技術(shù)人員更應(yīng)該關(guān)注系統(tǒng)的調(diào)用，傳統(tǒng)的CPU架構(gòu)具有的解決方案中有多重純軟件虛擬技術(shù)方案，這種方案的關(guān)鍵節(jié)點為壓縮虛擬技術(shù)，在硬件虛擬技術(shù)的支持當(dāng)中，準(zhǔn)虛擬技術(shù)的優(yōu)勢就會更加明顯，需要解決的問題將會從性能上的到完美執(zhí)行。準(zhǔn)虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢由于執(zhí)行效果明顯，一些性能問題由于執(zhí)行效率偏低，在實際調(diào)用程序的過程中存在目錄操作和清空等問題，在實際目錄操作頁面，應(yīng)用不同的頁面目錄，可以區(qū)分用戶的運行特權(quán)，同時在實際優(yōu)化的過程中，可以根據(jù)不同的問題，設(shè)置CPU識別的路徑。

3結(jié)論

根據(jù)上文論述的觀點，可以得出的結(jié)論是，在虛擬化技術(shù)的運用當(dāng)中，由于計算機技術(shù)不斷地進步，虛擬技術(shù)的實現(xiàn)也需要不斷進步，計算機技術(shù)是推動虛擬化技術(shù)前進的動力。虛擬技術(shù)中，系統(tǒng)虛擬技術(shù)是虛擬技術(shù)中的最重要部分，系統(tǒng)虛擬技術(shù)對于資源的利用更加有效率。但是在現(xiàn)階段，計算機軟件數(shù)據(jù)的實際部署過程中，數(shù)據(jù)更新會有新的特點，資源的利用也會因而更加高效，為了適應(yīng)實際發(fā)展的要求，計算機虛擬技術(shù)經(jīng)過不斷創(chuàng)新改善之后，會有更多解決方案，本文介紹的虛擬技術(shù)實現(xiàn)方案只是其中的一部分，并且一些方案還存在著不足之處，比較了各種方案的優(yōu)缺點之后，可以應(yīng)用更多方案提升計算機的性能，幫助虛擬軟件實現(xiàn)更多的應(yīng)用價值。

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