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該系列博文會介紹常見的後端技術，這對後端工程師來說是一種綜合能力，我們會逐步瞭解搜尋技術，雲端計算相關技術、大資料研發等常見的技術喜提，以便讓你更完整地瞭解後端技術棧的全貌，為後續參與分散式應用的開發和學習做好準備。

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核心，是指的作業系統核心。

所有的作業系統都有核心，無論是Windows還是Linux，都管理著三個重要的資源：計算，網路，儲存。

![](https://img-blog.csdn.net/20180306202405696)

計算指CPU和記憶體，網路即網路裝置，儲存即硬碟之類的。

核心是個大管家，想象你的機器上跑著很多的程式，有word，有excel，看著影片，聽著音樂，每個程式都要使用CPU和記憶體，都要上網，都要存硬碟，如果沒有一個大管家管著，大家隨便用，就亂了。所以需要管家來協調排程整個資源，誰先用，誰後用，誰用多少，誰放在這裡，誰放在那裡，都需要管家操心。

所以在這個計算機大家庭裡面，管家有著比普通的程式更高的許可權，執行在核心態，而其他的普通程式執行在使用者態，使用者態的程式一旦要申請公共的資源，就需要向管家申請，管家幫它分配好，它才能用。

為了區分核心態和使用者態，CPU專門設定四個特權等級0,1,2,3 來做這個事情。

![](https://img-blog.csdn.net/20180306202427394)

當時寫Linux核心的時候，估計大牛們還不知道將來虛擬機器會大放異彩，大牛們想，一共兩級特權，一個核心態，一個使用者態，卻有四個等級，好奢侈，好富裕，就敞開了用，核心態執行在第0等級，使用者態執行在第3等級，佔了兩頭，太不會過日子了。

大牛們在寫Linux核心的時候，如果使用者態程式做事情，就將扳手掰到第3等級，一旦要申請使用更多的資源，就需要申請將扳手掰到第0等級，核心才能在高許可權訪問這些資源，申請完資源，返回到使用者態，扳手再掰回去。

這個程式一直非常順利的執行著，直到虛擬機器的出現。

如果大家用過Vmware桌面版，或者Virtualbox桌面版，你可以用這個虛擬化軟體建立虛擬機器，在虛擬機器裡面安裝一個Linux或者windows，外面的作業系統也可以是Linux或者Windows。

當你使用虛擬機器軟體的時候，和你的excel一樣，都是在你的工作列裡面並排的放著，是一個普通的應用。

當你進入虛擬機器的時候，虛擬機器裡面的excel也是一個普通的應用。

但是當你設身處地的站在虛擬機器裡面的核心的角度思考一下人生，你就困惑了，我到底個啥？

在硬體上的作業系統來看，我是一個普通的應用，只能執行在使用者態。可是大牛們生我的時候，我的每一行程式碼，都告訴我，我是個核心啊，應該執行在核心態，當虛擬機器裡面的excel要訪問網路的時候，向我請求，我的程式碼就要努力的去操作網路資源，我努力，但是我做不到，我沒有許可權！

我分裂了。

虛擬化層，也就是Vmware或者Virtualbox需要幫我解決這個問題。

第一種方式，完全虛擬化，其實就是騙我。虛擬化軟體模擬假的CPU，記憶體，網路，硬碟給我，讓我自我感覺良好，終於又像個核心了。

真正的工作模式是這樣的。

虛擬機器核心：我要在CPU上跑一個指令！

虛擬化軟體：沒問題，你是核心嘛，可以跑

虛擬化軟體轉過頭去找物理機核心：報告管家，我管理的虛擬機器裡面的一個要執行一個CPU指令，幫忙來一小段時間空閒的CPU時間，讓我代他跑個指令。

物理機核心：你等著，另一個跑著呢。好嘞，他終於跑完了，該你了。

虛擬化軟體：我代他跑，終於跑完了，出來結果了

虛擬化軟體轉頭給虛擬機器核心：哥們，跑完了，結果是這個，我說你是核心吧，絕對有許可權，沒問題，下次跑指令找我啊。

虛擬機器核心：看來我真的是核心呢。可是哥，好像這點指令跑的有點慢啊。

虛擬化軟體：這就不錯啦，好幾個排著隊跑呢。

記憶體的申請模式如下。

虛擬機器核心：我啟動需要4G記憶體，我好分給我上面的應用。

虛擬化軟體：沒問題，才4G，你是核心嘛，馬上申請好。

虛擬化軟體轉頭給物理機核心：報告，管家，我啟動了一個虛擬機器，需要4G記憶體，給我4個房間唄。

物理機核心：怎麼又一個虛擬機器啊，好吧，給你90,91,92,93四個房間。

虛擬化軟體轉頭給虛擬機器核心：哥們，記憶體有了，0,1,2,3這個四個房間都是你的，你看，你是核心嘛，獨佔資源，從0編號的就是你的。

虛擬機器核心：看來我真的是核心啊，能從頭開始用。那好，我就在房間2的第三個櫃子裡面放個東西吧。

虛擬化軟體：要放東西啊，沒問題。心裡想：我查檢視，這個虛擬機器是90號房間開頭的，他要在房間2放東西，那就相當於在房間92放東西。

虛擬化軟體轉頭給物理機核心：報告，管家，我上面的虛擬機器要在92號房間的第三個櫃子裡面放個東西。

好了，說完了CPU和記憶體的例子，不細說網路和硬碟了，也是類似，都是虛擬化軟體模擬一個給虛擬機器核心看的，其實啥事兒都需要虛擬化軟體轉一遍。

這種方式一個壞處，就是慢，往往慢到不能忍受。

於是虛擬化軟體想，我能不能不當傳話筒，還是要讓虛擬機器核心正視自己的身份，別說你是核心，你還真喘上了，你不是物理機，你是虛擬機器。

但是怎麼解決許可權等級的問題呢？於是Intel的VT-x和AMD的AMD-V從硬體層面幫上了忙。當初誰讓你們這些寫核心的大牛用等級這麼奢侈，用完了0，就是3，也不省著點用，沒辦法，只好另起爐灶弄一個新的標誌位，表示當前是在虛擬機器狀態下，還是真正的物理機核心下。

對於虛擬機器核心來講，只要將標誌位設為虛擬機器狀態，則可以直接在CPU上執行大部分的指令，不需要虛擬化軟體在中間轉述，除非遇到特別敏感的指令，才需要將標誌位設為物理機核心態執行，這樣大大提高了效率。

所以安裝虛擬機器的時候，務必要將物理CPU的這個標誌位開啟，是否開啟對於Intel可以檢視grep "vmx" /proc/cpuinfo，對於AMD可以檢視grep "svm" /proc/cpuinfo

這叫做硬體輔助虛擬化。

另外就是訪問網路或者硬碟的時候，為了取得更高的效能，也需要讓虛擬機器核心載入特殊的驅動，也是讓虛擬機器核心從程式碼層面就重新定位自己的身份，不能像訪問物理機一樣訪問網路或者硬碟，而是用一種特殊的方式：我知道我不是物理機核心，我知道我是虛擬機器，我沒那麼高的許可權，我很可能和很多虛擬機器共享物理資源，所以我要學會排隊，我寫硬碟其實寫的是一個物理機上的檔案，那我的寫檔案的快取方式是不是可以變一下，我傳送網路包，根本就不是發給真正的網路裝置，而是給虛擬的裝置，我可不可以直接在記憶體裡面複製給他，等等等等。

一旦我知道我不是物理機核心，痛定思痛，只好重新認識自己，反而能找出很多方式來最佳化我的資源訪問。

這叫做類虛擬化或者半虛擬化。

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![](https://img-blog.csdn.net/20180306202439418)

後端技術雜談6：白話虛擬化技術

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