《系统虚拟化——原理及实现》学习笔记
本文最后更新于：2025年6月30日 晚上
我将不断前进，直到——……
0.前言
关于这段时间……
学完0.11的linux内核之后给自己小小地放了个假。现在又要开始新的学习了。
休息的这一周感慨颇深。期间去了一次保研分享会，了解了其他保研er的故事。基于我先前了解过的信息，此刻我更确定我和他们不是一路人。
那晚我走在回寝室的路上百感交集，不由得去远望东面的综合楼。
在综合楼的1113，有着一群可爱的学弟学妹，正在为我们曾经的理想不懈奋斗。
他们义无反顾地接过了我们承接过的理想，在这片功利而又浮躁的校园里，这一切显得愈加耀眼而高大。
“NEUQRO必将薪火相传，生生不息.”
关于新的内容
坦白地说，写这段文字的时候我还没有开始虚拟化的学习。毕竟我这人一向擅长做先挖后填的勾当。
linux内核那篇，因为以前学过OS原理，先前也了解过linux的一些基本概念，所以读源码会快一些。当然，linux 0.11多少有点过于老旧了，所以我需要逐渐补充一些新知识。这可能有需要单独开一篇博客。
而虚拟化这边，因为没有太多基础，所以学起来就不大可能像linux内核那么快了。所以目前打算边记笔记边修改。这本书不大可能像0.11内核一样读两遍书就能理的差不多了。
ok，新的旅程，即将开始。
1.开篇
好像是讲了一堆定义。
2.x86架构与操作系统基础知识
2.1 x86历史与操作系统概要
2.2 x86内存架构
2.2.1 地址空间
地址空间可以分为物理地址空间和线性地址空间。
物理地址空间大小由CPU实现的物理地址位数决定（与CPU处理数据的能力没有必然联系）。除了内存之外，其他硬件设备的I/O寄存器也可以被映射进物理内存空间。
线性地址空间是由于为了实现进程之间的隔离而被引入，在实际运行时会被映射到具体的物理地址空间。其大小取决于CPU实现的线性地址位数。
2.2.2 地址
x86提供了段机制，这也就引入了一种额外的地址：逻辑地址，即段选择符+偏移量。由段选择符定位到段描述符再计算逻辑地址。
对于分页机制已启用的情况，地址的转化为：逻辑地址->线性地址->物理地址
对于未启用分页机制的情况，地址的转化为：逻辑地址->线性地址=物理地址（不需要查询页表了）
2.2.3 x86内存管理机制
分段，分页，在《Linux内核设计的艺术》里已经学过了
TLB，对最近的页面映射进行缓存。存放VFN->PFN的转换.
TLB存在缓存一致性问题，刷新TLB的方法有更新CR3和INVLPG指令两种方式。
3.虚拟化概述
可虚拟化架构和不可虚拟化架构
敏感指令，特权指令。
特权指令触发异常，由VMM捕获。
敏感指令涉及对系统资源的操作。如果敏感指令不全是特权指令，在执行的时候就不会出发异常，让VMM无法捕获，而造成影响。这种缺陷可以弥补，但是需要额外付出开支。
处理器虚拟化
虚拟处理器≈物理处理器+VMM
指令的模拟
敏感指令涉及到的寄存器有专门的虚拟寄存器设定。相关操作定位到虚拟寄存器上。
虚拟处理器在进行状态切换的时候，需要保存的信息上下文信息更多。如上面说的因敏感指令而生的虚拟寄存器。
关键问题在于如何在执行到敏感指令的时候唤醒VMM进行专门的处理。这是利用了中断和异常处理的。
有三种方式：基于保护机制（特权不足），虚拟机主动触发异常（自己检查），以及异步中断。
中断和异常的模拟及注入
VMM对于虚拟机指令抛出的异常，要做两种区分：一种是在即便运行环境换成物理机也会出现的异常，即完全属于虚拟机操作系统运行的原因产生的异常。另一种则是上文说的因敏感指令而产生的异常。
后者触发的原因是由于虚拟化技术实现的需要，换句话说如果这里不是虚拟机而是物理机，就不会出现这个异常。而前者则是虚拟机运行的上下文中出现了会导致抛出异常的情况。
类似于物理中断，虚拟中断的触发需要虚拟中断源，这一般来自于外源设备。
多处理器
太困了今晚不看了
内存虚拟化
虚拟出来的内存必须要有两点特性：
- 从0开始
- 至少保证大粒度的连续。
然后需要解决两个问题：
- 宿主机逻线性地址和虚拟机物理地址的映射
- 指令执行时对于寻址行为进行截获和额外处理
映射
GVA，GPA，HVA，HPA四个概念
VMM插手从GPA到HPA的过程（为何跳过了HVA呢？因为VMM是和运行在宿主机上的操作系统是一个等级的，所以它能直接控制物理内存吧也许），它需要不断跟踪客户机的页表，在其发生变化时，构造一个与之相应的GPA到HPA的转化过程。
截获
地址转换必须发生在指令执行前