8.3.3　II型管理程序

当采用VT技术的时候，建立一个虚拟机系统相对比较直接，但是在VT技术出现之前，人们是怎么做的呢？很明显，在一台虚拟机上运行完整的操作系统是不可行的，因为（一些）敏感指令会被忽略掉，从而导致系统崩溃。于是人们发明了称为II型管理程序的替代品，如图1-29b所示。最早的一代产品是VMware（Adams和Agesen，2006；以及Waldspurger，2002），它是斯坦福大学（Bugnion等人，1997）DISCO研究项目的发展成果。VMware在Windows或Linux的宿主操作系统上作为普通用户程序运行。当它第一次运行的时候，它就像是一个新启动的计算机，试图在光驱中寻找含有操作系统的光盘。然后通过运行光盘上的安装程序，在它的虚拟磁盘（实际上就是Windows或Linux文件）上安装操作系统。一旦在虚拟磁盘上安装好了客户操作系统，虚拟机就可以运行了。

现在让我们来仔细研究VMware是如何工作的。当运行一个Pentium二进制文件的时候，这个二进制文件可能来自于安装光盘或虚拟磁盘，VMware首先浏览代码段以寻找基本块（basic block）。所谓基本块，是指以jump指令、call指令、trap指令或其他改变控制流的指令结束的可顺序运行的指令序列。根据定义，除了基本块的最后一条指令，基本块内不会含有其他改变程序计数器的指令。检查基本块是为了找出该基本块中是否含有敏感指令（见Popek和Goldberg的论述）。如果基本块中含有敏感指令，每条敏感指令被替换成处理相应情况的VMware过程调用。基本块的最后一条指令也被VMware的过程调用所替代。

上述操作完成之后，基本块在VMware中缓存并执行。在VMware中，不含任何敏感指令基本块的运行与它在裸机上的运行完全相同——因为它就是在裸机上运行的。通过这种方式找出、仿真敏感指令。这种技术称为二进制翻译（binary translation）。

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基本块执行结束之后，控制返回到VMware，它会定位下一个基本块的位置。如果下一个基本块已经翻译完毕，它就可以被立刻执行。如果还没有翻译完毕，那么依次进行翻译、缓存、执行。最后，大多数程序被缓存并且接近全速的执行。很多优化方法得到了运用，例如，如果一个基本块跳转或调用另一个基本块，最后一条指令被一条跳转或调用已翻译好的基本块的指令所代替，从而节省了寻找后续基本块的开销。同样，在用户程序中不需要替换掉敏感指令；因为硬件会直接忽略它们。

讲到这里，即使在不可虚拟化的硬件上，II型管理程序也能正常工作的原因就已经很清楚了：所有的敏感指令被仿真这些指令的过程调用所替代。客户操作系统发射的敏感指令不会被真正的硬件执行。它们转换成了对管理程序的调用，而这些调用仿真了那些敏感指令。

有人可能会天真地认为支持VT技术的处理器在性能上会胜过II型管理程序所使用的软件技术，但是测量结果显示情况并不是这么简单（Adams和Agesen，2006）。其结果显示，支持VT技术的硬件使用陷入——仿真的方法会引起太多的陷入，而在现代硬件上，陷入的代价是非常昂贵的，它们会清空处理器内的缓存、TLB和分支预测表。相反，当可执行程序中的敏感指令被VMware过程调用所替代，就不会招致这些切换开销。正如Adams和Agesen所指出的，根据工作负载的不同，软件有的时候会击败硬件。由于这个原因，一些I型管理程序出于对性能的考虑会进行二进制翻译，尽管即使不进行转换，运行于其上的软件也可以正确运行。