Abbreviations

VMM: virtual machine monitor
Hypervisor: 也可以叫做 VMM

物理机和虚拟机以及容器的区别

动机motivation：为什么要有虚拟机

一句话，就是：现在物理CPU，物理内存和存储，物理网络的硬件能力都越来越强大了。面对现在越来越多样化的业务需求，我们要更加灵活地，更加高效的使用我们的硬件资源。以达到，高效 和 低成本 的两个目的。
如果都是直接使用物理机的话，就会有面向业务的资源大小分配不灵活，硬件的申请采购不灵活，硬件资源复用不灵活。我们总是希望把硬件资源抽象成软件资源，来动态的业务按需分配和使用。以达到 高效 和 低成本 的目标。
下面的三幅图，是我从另外一篇文章中看到的¹。非常生动的以我们居住的别墅，公寓和胶囊公寓来对应物理机，虚拟机已经容器对于资源高效且低成本的使用和复用。非常的生动形象。

物理机:

虚拟机

容器

虚拟机的种类以及他们的本质区别

虚拟化方式

这种方式是从虚拟机的内核角度来看的²。
完全虚拟化方式，我们可以翻译成 完全欺骗方式。欺骗谁。。。欺骗虚拟机的内核。在硬件上的操作系统来看，虚拟机是一个普通的应用。只能运行在用户态。可是从代码的角度来看，虚拟机的内核，我就是内核应该运行在内核态。比如当虚拟机里面的浏览器要访问网络的时候，向虚拟机内核请求网络访问。虚拟机内核就要去操作网卡。但是此时，虚拟机是运行在用户态的，并没有权限直接访问网卡。于是，虚拟机的内核分裂了。。。到底我还是不是内核
怎么办呢？这个时候，就需要一个虚拟化层，虚拟化软件。去模拟假的CPU，内存，网络和硬盘给虚拟机的内核，让它自我感觉良好，终于又像一个内核了。这种，情况下，虚拟机内核认为自己就是内核是被虚拟化层完全欺骗的。
流程是这样的：应用请求 -> 虚拟机的内核 ->虚拟网络硬件 -> 虚拟化软件 -> 物理机内核 -> 物理网络硬件
响应的顺序反过来就是了。对于物理硬件的操作，都是需要如虚拟软件模拟虚拟的硬件，其实什么事情都是要虚拟化软件转诉一遍给物理内核的。虚拟机的内核根本不知道这些。这种处理方式的一个坏处就是：慢。

于是，对于物理CPU资源的申请加速方案，有了 硬件辅助的完全虚拟化方式。这种方式需要Intel的VT-x和AMD的AMD-V从硬件层面来支持。对于虚拟机内核来讲，只要将标志位设为虚拟机状态，虚拟机内核就可以直接在物理CPU上执行大部分的指令。不再需要虚拟化软件在中间转述，除非遇到非常特别的指令，才需要将标志位设为物理机内核态运行，这样大大提高了效率。所以，安装虚拟机的时候，我们务必将物理CPU的这个标志打开。想知道是否打开，对于intel，可以使用 grep “vmx” /proc/cpuinfo; 对于 AMD，可以使用 grep “svm” /proc/cpuinfo 来查看。
另外就是访问网络或是硬盘等外设的时候，为了取得加速。也需要让虚拟机内核加载特殊的驱动。理解起来就是，不再欺骗虚拟机内核。要让他清楚自己的地位，他不是真正的物理机内核。这种 加速的方式加做 半虚拟化方式。

服务器上的虚拟化软件，多采用qemu。单纯使用qemu，采用的就是完全的虚拟化模式。Guest OS认为自己和硬件直接大交道，其实都是和qemu模拟出来的硬件打交道。qemu会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从qemu里面过一手，所以性能就会比较差。当CPU硬件标志位在BIOS里面开启后，就会开启硬件辅助的完全虚拟化。此时，通过KVM， Guest OS的CPU指令就不用了再经过qemu的转译了，直接运行，大大提过了速度。

qemu和kvm整合之后，CPU的性能问题解决了。接下来，qemu还会模拟其他的硬件，如网络和硬盘。全虚拟化的方式也会影响这些设备的性能。于是，qemu在采取半虚拟化的方式，让Guest OS 加载特殊的驱动来做这些事情。例如，网络需要加载virtio_net, 存储需要加载virtio_blk. Guest 需要安装这些半虚拟化驱动，此时Guest OS知道自己是虚拟机了。所以，数据会直接发给半虚拟化设备，经过特殊的处理（例如排队，缓存，批量处理等性能优化方式），最终发给真正的硬件。从而提高了外设的访问处理性能。

虚拟机类型

Hypervisor有type 1 和 type 2的区别。³
如果hypervisor运行在host OS上，那么就是type 2.他的处理方式是不与物理层接触，因此也被称为hosted hypervisor。他会提供模拟出来的物理层资源给上方的guest OS使用。在云计算中，通常情况hypervisor（kvm技术）只是负责CPU和内存的虚拟化，I/O虚拟化会由其他技术完成。

那么，既然type 2型的hypervisor是运行在宿主系统上的一个模拟硬件资源以及调度的软件。那么为什么还要有host OS呢？于是type 1型的虚拟化技术满足了这个愿望。在type 1型的虚拟机中，hypervisor既是操作系统也是虚拟化软件，这种技术的有点事效率高，虚拟机安全性只依赖于VMM。

docker技术

docker，和VMM不一样。docker依赖于宿主的操作系统（host OS）。也就是说，docker容器要运行在host OS上。他通过一系列技术手段实现了各种隔离，比如内存隔离，存储隔离，CPU隔离。docker不支持windows内核，因此他不能使用在windows上。既是现在有windows版本的docker，也是运行在windows上的linux虚拟机上。由于docker不需要去创建hypervisor层，因此和传统的VM相比较，docker有很多优点。⁴

支撑docker的核心技术有三个：Namespace，Cgroup，UnionFS。Namespace提供了虚拟层面的隔离，比如文件隔离，网络隔离等等。Croup提供了物理资源的隔离，比如CPU，内存，磁盘等等。UnionFS给docker镜像提供了技术支撑。

传统计算机体系结构

• ISA：Instruction Set Architecture。指令集，这是操作系统与硬件之间的一层。硬件提供了一层接口给操作系统进行调用。指令集中包含了数据处理，存储操作，算术逻辑单元，控制流等。X86架构采用的是复杂指令集；ARM架构采用的是精简指令集。而这些指令集只有在ring 0（内核态）模式下才能使用。
• ABI：Application binary interface。应用二进制接口。
• API：Application programming interface。应用编程接口。

虚拟机和Docker的区别

从一台物理机可以虚拟化出很多的虚拟机，一定程度上实现了资源使用的灵活性。但是，虚拟化的方式其实还是非常的复杂。虚拟机虽然是虚拟的，但是他也用有Guest OS，并且需要由VMM负责CPU，内存，网络，存储全部都虚拟化。一个都不能偷懒。
于是，linux中的容器container技术提供了一种更加灵活地方式。既可以隔离出一部分资源，专门用于某个进程，又不需要费劲周折的虚拟化这么多的硬件。毕竟，我只是想跑一个程序，而不是要一整个的linux系统。其实，容器就像船上的不同集装箱封装着不同的货物。封装带来了好处，一个是打包，二是标准化。

容器实现封闭的环境主要靠两种技术。

• 使容器看起来是隔离：namespace（命名空间）。每个命名空间中的应用看到的，都是不同的IP地址，用户空间，进程ID等。
• 使容器用起来是隔离的技术：cgroup（资源限制），即明明整台机器有很多的CPU，内存，但是一个应用智能使用其中的一部分。
• 除了封装，还有第三个技术：UnionFS, 提供了镜像的技术支撑。在封装好的那一刻，集装箱里那一刻的状态都被保存成一系列文件，无论在哪里运行这个镜像，都能完成的还原但是的情况。

从下面虚拟机和Docker的体系结构图中我们可以看到差别。Docker结构图中的Docker Engineer 替代了 Hypervisor 和 Guest OS。

当程序员根据产品设计开发完毕以后，可以将代码连同运行环境打包成一个容器镜像。此时，这个集装箱就封装好了。接下来，无论是在开发环境，测试环境，还是生产环境运行代码，都可以使用相同的镜像。这样，产品的发布和上线速度就加快了。

如下图实例所示，通过Docker run命令将容器镜像运行为容器，通过namespace和cgroup进行隔离。容器里面不包含内核，是共享host OS的内核。对比虚拟机，虚拟机在qemu进程里面是有客户机guest OS的内核的，应用运行在客户机的用户态。

参考资料：

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1. 物理机、虚拟机、容器的比较 ↩︎

2. 虚拟机：如何成立子公司，让公司变集团 ↩︎

3. 汽车hypervisor — 定义和类型 ↩︎

4. 容器和虚拟机 ↩︎