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云与虚构化

云计较是通过 Internet 功绩的形势提供动态可伸缩资源的计较形状，经过多年的发展已成为企业 IT 技艺的遑急撑抓。虚构化是云计较的中枢技艺之一，将一台计较机综合为多台逻辑计较机，即虚构机，每个虚构机是一个单独安全的环境，可启动不同的操作系统且互不影响。

虚构化技艺给资源使用和调理带来了极大便利，云计较系统不错把柄负载情况实时进行资源调理，在升迁资源把握率的同期保证应用和功绩不会因资源不及而影响功绩质料。关联词虚构化亦然有代价的，对资源的综合带来了性能亏蚀，这亦然虚构化一直骁勇处分的问题。

虚构化的资源综合不错浅薄分离为三部分：CPU 虚构化、内存虚构化和开辟虚构化。其中开辟虚构化照旧不错落幕网罗、存储等开辟纵贯虚构机，莫得性能亏蚀;CPU 虚构化在硬件特质的支抓下，践诺无为教导性能与裸机疏浚;而内存虚构化比较裸机，仍然存在较大各异，是当下值得暖热的问题。

内存虚构化

虚构内存：说到内存虚构化，就不得不提虚构内存的成见。早期的操作系统只消物理地址且空间有限，进度使用内存时必须留意翼翼以幸免笼罩其他进度的内存。为幸免此问题，虚构内存的成见被综合出来，保证每个进度皆有一块集合的、寂然的虚构内存空间。进度径直通过 VA(Virtual Address)使用内存，CPU 访存时发出的 VA 由硬件 MMU(Memory Management Unit)阻拦并转念为 PA(Physical Address)，VA 到 PA 的映射使用页表进行握住，MMU 在转念时会自动查询页表。

内存虚构化：与虚构内存的成见雷同，一台主机上的每个虚构机以为我方独占扫数这个词物理地址空间，因而需要对内存再作念一次综合，即内存虚构化，保证每个虚构机皆有寂然的地址空间。这么一来，在虚构机和物理机中均有 VA 和 PA 的成见，即 GVA(Guest Virtual Address)和 GPA(Guest Physical Address)，以及 HVA(Host Virtual Address)和 HPA(Host Physical Address)。虚构机内的标准使用的是GVA，最终需要转念成 HPA。两个 VA 到 PA( GVA 到 GPA 以及 HVA 到 HPA)的映射一样使用页表握住，GPA 到 HVA 一般是几段集合的线性映射，由虚构机的握住标准 VMM(Virtual Machine Monitor)进行握住。

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进度访存需要从 VA 转念成 PA，在引入内存虚构化后，转念旅途发生了很大的变化。原来只需要将 VA 转念为 PA，虚构化后转念历程酿成 GVA -> GPA -> HVA -> HPA 。旅途变得更长更复杂之后，对于访存的安全和性能皆带来了挑战，这两点亦然内存虚构化需要达到的贪图：1)安全 ，即地址转念的正当性，虚构机弗成探员不属于我方的内存;2)性能，即地址转念的高效性，包括转念相关开发的支出低，以及转念历程自己的支出低。

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为达成内存虚构化的贪图，照旧有好多虚构化决议被提倡，SPT(Shadow Page Table)和 EPT(Extended Page Table)是两种典型的决议，亦然大众最熟练的决议。咱们先以此为切入点，望望他们是若何责任的，然后再商议其他的虚构化决议。

SPT：由于开始的硬件只支抓一层页表转念，径直用来转念虚构机或物理机上的 VA 到 PA 皆无法完成 GVA 到 HPA 的转念。因此 SPT 开发了一条捷径，即影子页表，径直握住 GVA 到 HPA 的映射，如下图所示。每一个影子页表实例对应虚构机内一个进度，影子页表的开发需要 VMM 查询虚构机内进度的页表。

由于影子页表握住的是 GVA 到 HPA 的径直映射，SPT 地址转念旅途与物理机旅途稀奇，径直查询一层页表就不错完成地址转念。在使用 4 级页表时，转念历程如下图所示。

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上风：SPT 地址转念历程的支出低，与物理机稀奇。

劣势：

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1)地址转念相关的开发支出很大，为保证地址转念的正当性，扫数的转念相关开发，即虚构机进度的页表修改，皆会被阻拦之后陷出到特权的 VMM 中代为践诺;

2)影子页表自己需要占用内存太阳城娱乐真人百家乐，且一个影子页表只对应虚构机内一个进度，举座会占用较多内存资源。

EPT：自后的硬件针对虚构化加多了嵌套页表的支抓，使得硬件不错自动完成两层页表转念。EPT 即是基于硬件支抓的决议，在握住 GVA 到 GPA 的虚构机页表基础上，新增彭胀页表握住 GPA 到 HPA 的映射，如下图所示。这两层页表相互寂然，两层映射相关转念皆由硬件自动完成。

由于虚构机内各级页表(gL4, gL3, gL2, gL1)内容仅仅 GPA，查询下一级时必须先经彭胀页表(nL4, nL3, nL2, nL1)转念为 HPA，使得扫数这个词转念旅途很长。在两层页表均为 4 级时，转念历程如下图所示。

上风：地址转念相关的开发支出低，寂然的 EPT 页表的存在保证了地址转念的正当性，因此虚构机的页表不错自行修改而无需 VMM 的侵犯。

劣势：转念历程的支出很大，最坏情况下需要 24(4 + 4 + 4 * 4)次硬件查表转念。

两种经典的决议在安全上皆有坚实的保证，但在性能上各有颓势。SPT 为保证地址转念的正当性在开发转念相关时付出了很大代价，而 EPT 天然排除了开发转念相关的支出，转念旅途却更长了。

其他探索

业界和学术界对于内存虚构化还有好多的探索，基本念念想与 SPT 或 EPT 雷同，不错据此分为三类来看：1)一层页表决议。与 SPT 雷同，使用一层页表径直握住 GVA 到 HPA 的映射;2)两层页表决议。与 EPT 雷同，使用两层寂然页表分别握住 GVA 到 GPA 以及 GPA 到 HPA 的映射;3)羼杂决议。诱骗前两类决议，进举止态的聘请。

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Direct Paging：一层页表决议，这是 Xen 在早期硬件仅支抓一层页表时的半虚构化决议。比较于 SPT 最大的区别是，莫得单独珍视 GVA 到 GPA 的虚构机页表，虚构机知说念我方处于虚构化环境，即知说念我方的页表内容是 HPA。虚构机修改页表也需要陷出，然则领受主动陷出的形势，不错 batch 化，而 SPT 则是被迫阻拦陷出;读取页表时只可拿到 HPA，需要查一张 M2P(Machine to Physical)表智商取得 GPA。

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Direct Paging 一样使用一层页表握住 GVA 到 HPA 映射，地址转念的旅途与 SPT 是疏浚的。在使用 4 级页表时，最坏只需 4 次查表。

上风：地址转念历程的支出低，与物理机稀奇。

劣势：1)地址转念相关的开发支出很大，扫数页表修改皆需要主动陷出;2)需要虚构机作念半虚构化的适配，虚构机需要感知我方的页表握住的是 GVA 到 HPA 的映射。

Direct Segment：两层页表决议，这是学术界基于新硬件的决议。GVA 到 GPA 的映射握住与 EPT 疏浚，一样领受多级页表。但 GPA 到 HPA 的映射领受分段机制， GPA 转念为 HPA 时只需要通过硬件加上一个偏移即可。

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GPA 天然不等于 HPA，但二者的映射相关十分浅薄，只需要 Direct Segment 硬件添加一个偏移，扫数这个词转念旅途与物理机的旅途比较离别很小，仅多了几次硬件偏移。虚构机使用 4 级页表时，转念旅途如下图所示，其中 DS 示意 GPA 到 HPA 转念的硬件支抓。

上风：地址转念相关的开发支出低，同期转念历程的支出也很低。

劣势：1)需要硬件支抓 GPA 到 HPA 分段映射，现存的硬件不具备这么的功能;2)需要分派大段集合的内存，即主机弗成有太多内存碎屑。

Flat EPT：两层页表决议，这亦然学术界提倡的基于新硬件的决议。举座与 EPT 相配相似，独一的区别在于 EPT 握住 GPA 到 HPA 的使用多级页表，一般是 4 级，每级 512 项;而 Flat EPT 使用仅有一级的扁平页表，表项远不啻 512。

与 EPT 疏浚，虚构机内各级页表的内容亦然 GPA，查询下一级时需要先经过扁平彭胀页表(nL4)转念为 HPA。由于扁平彭胀页表只消一级，转念旅途比较 EPT 裁汰了相配多。在虚构机内使用4级页表时，转念旅途如下图所示，最坏只需 9(4 + 1 + 4 * 1)次查表。

上风：地址转念相关的开发支出低，同期转念历程的支出也较低。比较于 Direct Segment 对内存分派条目很低，只需要极少集合内存用作扁平彭胀页表即可(8G规格虚构机只需要 16M)。

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劣势：需要硬件支抓扁平彭胀页表，面前的硬件只支抓表项为 512 的多级彭胀页表。

Mix SPT and EPT：羼杂决议，这是学术界较早提倡的决议，浅薄而言等于动态的分时切换 SPT 与 EPT。在虚构机启动时监控和集聚 TLB miss 与 Page Fault 的数据，在二者达到设定的阈值时进行 SPT 与 EPT 之间的切换，如下图所示：

TLB miss 率高于阈值 T1，Page Fault 频率低于阈值 T2 时，从 EPT 切换到 SPT TLB miss 率低于阈值 T1，Page Fault 频率高于阈值 T2 时，从 SPT 切换到 EPT

上风：有契机充分把握SPT与EPT的上风，达到更好的性能。

劣势：1)页表切换阈值的设定很贫瘠，硬件成就皆可能影响阈值;2)SPT与EPT的切换亦然有代价的，主若是SPT的排除与重建。

回来

一层页表显赫的上风是地址转念历程支出低，与物理机疏浚，需要处分的问题是减少地址转念开发的支出。一个可能的地方是松手一些安全性，让页表的修改更轻量;另一个更实际的地方是在合适的场景使用，即针对页表修改常常常的负载使用。

两层页表的上风是地址转念开发的支出小，虚构机不错寂然修改页表，需要探求的问题是裁汰转念旅途。这个地方其实可行性很高，然则依赖新硬件的支抓，短期不太可能出现适合条目的新硬件。

羼杂页表的联想初志是但愿充分把握两类页表的上风，然则作念好动态的形状切换长短常贫瘠的，负载的各异致使硬件的各异皆可能影响切换的着力。能够针对已知负载作念定向的调优是一个可行的地方。

永久来看，如果有新硬件的加抓，两层页表(尤其是Flat EPT)是比较完善的决议，地址转念不错很高效，也不需要在安全和通用性上作念一些就义。然则短期来看，新硬件为前锋早，在一层页表决议上作念进一步的探索和优化，是愈加实际的。咱们将会抓续在内存虚构化这条旅途探索更多的可能，接待大众加入 OpenAnolis 龙蜥社区商议交流。

对于作家

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陶志恒(君川)，2020年加入阿里云操作系统-云原生底层系统团队，现在从事性能优化地方的责任。