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一、前世
早期计算机的价格非常昂贵一台计算机可能需要花费几十万甚至上百万美元。例如ENIAC计算机作为世界上第一台通用电子数字计算机当时的造价约为48万美元。科学家或者工程师们需要计算机的能力但是买不起整台计算机。
因此为了尽可能地利用这一宝贵的资源分时系统应运而生。在这个系统中终端本身并没有计算能力它们通过电话线连接到中心计算机然后中心计算机会自动给程序分配计算时间如同一位严格的时间管理员。这有点操作系统的感觉只不过分时系统更原始一些。
随着技术的发展计算机的处理能力日益强大价格也越来越亲民普通人就可以拥有一台自己独立的计算机。但是单个计算机内运行的程序也越来越复杂为了更好的在多个程序之间分配计算资源后边又发展出了操作系统特别是操作系统提供的进程和线程技术。
进程为程序可使用的资源划定了一个边界比如程序可使用的内存、可访问的API都被限定在一个范围之内线程则为CPU资源的分配提供了便利根据分配算法每个程序可以获取一定的CPU执行时间。
二、虚拟机的需求
虽然拥有计算资源的成本降低了很多操作系统也提供了很好的软件治理方法但是我们仍面临一些挑战。
首先是成本和效率方面 资源闲置想象一下如果你有一台超级计算机但只在某些时段需要大量的计算却需要一直准备着它那么在其他大量的闲置时间你可能会想把它们租出去让这些时间也能创造价值。比如对于阿里巴巴来说为了应对双十一可能需要准备大量的计算资源但是一年中的其它时候很多计算资源就闲置起来了。 需求和供给不匹配如果你的计算机是8核32G但租户只需要1核2G这就好比你有一栋大楼但租户只需要一间房。同样的如果你的计算机出租的最小时间单位是3个月而租户只需要使用3分钟这就如同租户只想在你的大楼里开一个小时的会议但你却要求他租一个季度。这显然会导致资源的浪费。
其次是多租户延伸出来的隔离方面的更高要求 隔离的需求不同的应用程序可能会产生冲突或影响彼此的正常运行。如果没有进行有效的隔离一个应用程序的错误或异常可能会影响到其他应用程序甚至导致整个系统的不稳定或崩溃。比如对于Python这种程序不同的版本无法运行在同一个环境中必须进行某种隔离。这个问题对于多租户系统尤为重要不仅要降低相互之间的影响还要严格限制相互之间的资源访问权限避免出现信息泄漏。操作系统自身提供的隔离能力不能完全满足这种需求。
虚拟机技术就是为了解决这些问题而出现的。
三、虚拟机的发展史
1. 模拟器
模拟器是虚拟机的前身它通过在宿主机上运行一个应用程序模拟客户机计算机系统的API和指令一条条解释执行。就像是一个翻译把客户机的指令翻译成宿主机能理解的语言。像我们常见的Android模拟器、街机游戏模拟器就是这样的例子。
但模拟器也有其局限性如果客户机依赖特定电路则很难模拟而且运行起来太慢不能满足用户需求。然而它的优点也很明显那就是可以跨硬件平台。
2. 虚拟机
虚拟机的诞生标志着我们向全虚拟化迈出了一大步。在虚拟机中我们引入了虚拟机监视器它可以完整映射客户机的CPU指令集、IO操作和中断而不需要跨硬件平台也无需更改客户机操作系统。
虚拟机分为Type2和Type1两种类型。在Type2虚拟机中所有的客户机都通过虚拟机监视器与宿主机交互虚拟机监视器是宿主机上的一个应用软件收到客户机的指令时转交给宿主机处理。这种模式和模拟器的处理模式类似一般只用在个人电脑上。好处就是比较通用可以跨硬件平台缺点还是效率比较低运行较慢。
而在Type1虚拟机中所有的客户机都通过虚拟机监视器与宿主机交互但虚拟机监视器是宿主机操作系统内核的一个模块收到客户机的指令时直接提交给硬件执行。这就好像是把虚拟机监视器提升为了操作系统的一部分使其能更高效地处理客户机的请求。这特别适合对硬件和软件系统要求比较固定的场景比如服务器程序。
3. 容器
随着技术的进步我们又迎来了容器时代这个时代以Docker的诞生为始。Docker可以称为操作系统级的虚拟机其本质是一种资源隔离技术。它类似于早年的虚拟主机技术但在资源管理方面做得更好。最大的优点是它无需客户机操作系统可以直接在宿主机操作系统上运行大大提高了资源的利用率。
随着容器化技术的大规模普及容器管理技术也蓬勃发展起来。为了解决在大规模、分布式环境下如何有效地管理和调度容器的问题Kubernetes简称K8s应运而生它是一个开源的容器编排系统在微服务架构日益流行的今天它的出现无疑提供了一种高效、灵活的解决方案。从某种角度上看Kubernetes也是一个虚拟机只不过是把之前的虚拟化方案反了过来之前都是在单个物理机中虚拟多个系统而Kubernetes是把众多容器虚拟化为一个系统。
四、虚拟机的未来
虽然虚拟机技术已经相当成熟但我们仍可以期待未来会有更多创新和突破。
虚拟化与人工智能结合虚拟化技术可以与人工智能相结合提高虚拟机的自动化管理和优化能力提升使用效率降低运维成本。
虚拟机的性能优化虽然Docker等轻量级虚拟化技术已经大大提高了资源的利用率但在某些场景下如高性能计算和实时系统中虚拟机的性能开销和资源分配仍然是一个问题。因此如何通过优化虚拟机监视器和虚拟化技术进一步提升虚拟机的使用效率将是未来的重要研究方向。
虚拟化技术的安全性增强随着虚拟机技术的普及如何保证虚拟机的安全性也将成为一个重要的问题。例如如何防止虚拟机逃逸攻击如何在容器之间实现安全的数据隔离等都需要我们进行深入的研究。
总结
虚拟机的发展历程充分体现了技术的不断进步和我们对资源利用率提升的不懈追求。从分时系统到模拟器再到虚拟机最后到Docker每一步都是为了更好地解决资源浪费和需求与供给不匹配的问题。
