1.什么是虚拟化？

关于虚拟化，我们引用《操作系统导论》中的一段对话：

学生：尊敬的教授，什么是虚拟化？

教授：想象我们有一个桃子。

学生：桃子？（不可思议）

教授：是的，一个桃子，我们称之为【物理】（physical）桃子。但是有很多想吃这个桃子的人，我们希望向每个想吃的人提供一个属于他的桃子，这样才能皆大欢喜。我们把给每个人的桃子称为【虚拟】（virtual）桃子。我们通过某种方式，从这个物理桃子创造出许多虚拟地址桃子。重要的是，这种假象中，每个人看起来都有一个物理桃子，但实际上不是。

以最基本的计算机资源 CPU 为例，假设一个计算机只有一个 CPU（现代计算机一般拥有 2 个、4 个或者更多 CPU），虚拟化要做的就是将这个 CPU 虚拟成多个虚拟 CPU 并分配给每一个进程使用，因此每个应用程序都以为自己在【独占 CPU】（每个进程独享虚拟地址空间）。但实际上只有一个 CPU。这样操作系统就创造了美丽的假象--虚拟化了 CPU。

2.操作系统抽象：进程

2.1进程抽象

进程就是运行中的程序。程序本身是没有生命周期的，它只是磁盘上面的一些指令（也可能是一些静态数据）。是操作系统让这些字节运行起来，让程序发挥作用。

操作系统为【正在运行】的应用程序提供的【抽象】，就是所谓的进程。

事实表明，人们通常希望同时运行多个程序。比如在使用计算机时，我们会同时运行浏览器、游戏、音乐播放器等。实际上，一个正常的系统可能同时会有上百个进程运行。

【那么操作系统是如何实现的?】

操作系统通过【虚拟化】CPU 来提供这种假象。通过让一个进程只运行一个【时间片】，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟化 CPU 的假象。

这就是【时分共享】（time sharing）CPU 技术，允许用户如愿的运行多个并发进程。潜在的开销就是性能损失，因为如果 CPU 必须共享，每个进程的运行就会慢一点。

要实现 CPU 虚拟化，要实现的好，操作系统就需要一些低级机制以及一些高级智能。

我们将低级机制称为【机制】。机制是一些低级方法或协议，实现了所需要的功能。比如【上下文切换】（context switch）,它让操作系统能够停止运行一个程序，并开始在给定的 CPU 上运行另一个程序。所有现代操作系统都采用了这种分时机制。

时分共享：是操作系统共享资源所使用的最基本的技术之一。通过允许资源由一个实体使用一小段时间，然后由另一个实体使用一小段时间，如此下去。所谓资源，如 CPU 或网络链接。

空分共享：与时分共享对应的自然是空分共享。资源在空间上被划为给希望使用它的人。

在这些机制之上，操作系统中有一些智能以【策略】(policy)的形式存在。策略是在操作系统内做出的某种决定的算法。比如操作系统中的【调度】策略（scheduing policy）

分离策略和机制：在许多操作系统中，一个通用的设计范式是将高级策略与其低级机制分开。可以将【机制】看成 为系统的“how”问题提供答案。例如操作系统如何进行上下文切换？【策略】为“which”问题提供答案。例如操作系统该运行哪个进程？将两者分开可以轻松的改变策略，而不必重新考虑机制，因此，这是一种模块化的形式，一种通用软件的设计原则。

2.2进程机器状态

为了理解构成进程是什么，我们必须理解它的机器状态（machine state）：程序正在运行时可以读取或更新的内容。在任何时刻，机器的哪些部分对执行该程序很重要？

内存：进程的机器状态一个组成部分。指令存在内存中。正在运行的程序读取和写入数据也在内存中。因此进程可以访问的内存（称为地址空间）是该进程的一部分。

寄存器：许多指令明确的读取或更新寄存器。因此，显然，它们对于执行该进程很重要。

特殊寄存器：构成了进程机器状态的一部分。【程序计数器】（PC）告诉我们当前程序正在执行哪个指令；类似的【栈指针】（stack pointer）和相关的【帧指针】（frame pointer）用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址。

2.3进程 API

限于篇幅，本文暂不介绍具体 API 接口，只介绍通用功能。

• 创建（create）：操作系统必须包含一些创建新进程的方法。在 shell 中键入命令或者双击应用程序图标，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序。

• 销毁（destroy）：由于存在创建进程的接口，因此操作系统还提供一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果他们不退出，用户可能希望终止它们，因此停止进程失控的接口非常有用。

• 等待（wait）：有时候等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。

• 其他控制：除了杀死或者等待进程外，有时还可能有其他进程控制。例如，大多数操作系统提供某种方法来暂停进程，然后恢复（继续运行）。

• 状态（status）:通常也有一些接口可以获取进程的状态信息。

2.4进程创建的细节

程序是如何转换为进程，具体来说，操作系统如何启动并运行一个程序？进程的创建实际如何进行？

操作系统运行程序必须做的第一件事是将代码和所有静态数据（例如初始化变量）【加载】（load）到内存中，加载到进程的地址空间中【1】。

程序最初以某种可执行文件格式驻留在磁盘上（disk,或者 ssd，对于嵌入式系统就是 flash 上）。因此，将程序和静态数据加载到内存的过程，需要操作系统读取这些字节，并将它们放到内存的某处。如下图：

在早期的（或者简单的操作系统）中，加载过程尽早（eagerly）完成，即在运行程序之前全部完成。

现代操作系统惰性（lazily）执行该过程。即仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段，才会加载。要真正理解惰性加载是如何工作的，必须更多的了解分页和交换机制，这个后续展开更新一篇单独介绍。

将代码和静态数据加载到内存后【2】，操作系统在运行此进程之前还需要执行其他的一些操作:

• 必须为程序的运行时栈（run time stack）分配一些内存。（C 程序使用栈存放局部变量、函数参数和返回地址）操作系统分配这些内存，并且提供给进程 。操作系统也可能为程序的堆（heap）分配一些内存，数据结构（链表、散列表、树和其他有趣的数据结构）需要堆。

• 操作系统还将执行一些其他初始化任务，特别是输入输出（I/O）相关的任务。比如标准输入、标准输出、标准错误。
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通过将代码和静态数据【加载】到内存中，创建和【初始化】栈以及执行 I/O 设置的其他工作，终于为程序运行搭好了舞台。然后它有最后一项任务：【启动程序】【3】，在入口处运行，即 main()。通过跳转到 main()，OS 将 CPU 的控制权转移到新创建的进程中，从而程序开始执行。

2.5进程状态

进程在操作系统给定的时间片内，可能处于的不同状态如下：

• 运行（runnig）：在运行状态下，进程正在处理器上运行。这意味着它正在执行指令。

• 就绪（ready）：在就绪状态，进程已准备好运行，但是由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。

• 阻塞（blocked）：在阻塞状态下，一个进程执行了某种操作，直到发生其他事件时才会准备运行。比如进程向 I/O 发起请求时，它会被阻塞，因此其他进程可以使用处理器。

 

3.总结

本文主要介绍了操作系统虚拟化概念和进程，由虚拟化技术引出进程的基本概念。我们常说进程独享自己的虚拟地址空间，这个独享到底是怎么回事？

事实上，就是虚拟化实现的。虚拟化是操作系统中重要的概念，理解虚拟化，对我们理解操作系统和进程有很大的帮助。

本文只是引出了虚拟化的概念，没有解答虚拟化是怎么实现的，最常见的疑问：物理内存和虚拟地址空间之间到底是怎样的关系？这个留到后续更新。感兴趣的朋友可以阅读《操作系统导论》，这本书有 1/3 的篇幅在讲【虚拟化】