Full System Emulation

• 这个简单，就是 NEMU 啊：取指令、译码、执行
  • 致命的是性能: 性能不及 native 的 10%

Full System Emulation 的黄金时代

黄金时代的起点

• Disco (1997): “brings back an idea popular in the 1970s: virtual machine monitors”
• VMWare (1998): 我们能把这个技术做成产品！

Hack: Guest Ring 3 直接运行在 Host Ring 3

• System call 会 trap 到 VMM
  • Windows Subsystem for Linux (2016)
• Xen and the art of virtualization (2003)
  • Intel: VT-x (2005) $\to$ VT-d (2006) $\to$ EPT (2008)
  • (我们之前讲过 /dev/kvm)

为什么会有黄金时代？

Dot-com bubble 时代 (2000)

• ISP (Internet Service Provider) 提供的是物理机
• 虚拟机：和物理机用起来完全一样，但一台能当 $n$ 台卖
  • 黑心商人：我们都是 oversubscribe 的

Everything is a State Machine...

虚拟机：更容易管理状态了！

• ReVirt: Enabling intrusion analysis through virtual-machine logging and replay (OSDI'02)
  • 时间转移：“replay the long-term, instruction-by-instruction execution of a computer system.”
• Optimizing migration of virtual computers (OSDI'02)
  • 空间转移：“a system that moves a computer's state over a slow (384kbps) DSL link in minutes rather than hours.”

Hackers 的时代

• 华为操作系统首席科学家；上海交通大学 IPADS 所长
  • Live updating operating systems using virtualization (VEE'06)

浪潮过后……

操作系统：我自己就能虚拟化自己啊

• 应用程序只能看到系统调用 API
  • 操作系统：“假装” 在虚拟机里执行系统调用
  • 例子：虚拟的 pstree
    • pid = 1: init (systemd)

pid 可以不再是整个操作系统唯一的

• 给每个进程增加一个 “osid”，增加系统调用 vos(fs_root)
  • 创建一个新的 osid
  • pid 从 1 开始分配
  • fork() 继承父进程的 osid

祝贺，你发明了 Linux Namespaces!

只要想 “操作系统里有什么对象” 就行了

• 需要为 osid 区别实现的对象
  • pid: (刚才讲了)
  • user: 用户和组 (这个很重要)
  • mnt: 文件系统和设备
  • ipc: 信号量、消息队列、共享内存
  • net: 网络设备、协议栈、端口 (localhost:5000)
  • time: 系统时间和时区
  • uts: 主机名和域名
• Linux namespaces: /proc/[pid]/ns/
  • lsns 可以查看 (strace)

Namespaces (7)

clone

• 创建进程时可以带 CLONE_NEW_xxx (PID, IPC, ...) 选项

setns, unshare

• 改变某一个项目的 “osid”

ioctl

• Windows Subsystem for Linux: 听我说谢谢谢你
  • (我选择放弃)

再进一步：资源调度

实现资源的控制

• “圈一些进程”，设定资源使用策略
• 祝贺，你发明了 cgroups
  • cat /proc/*/cgroup
  • /sys/fs/cgroup

这是一个和 namespaces 正交的机制

• 共同使用，你就得到了容器
  • 例子：只有 busybox 的 “系统中的系统”
  • 祝贺，你发明了 docker!

云时代的虚拟机

如果只需要 Linux

• 容器就和虚拟机完全一样
• 开销比虚拟机低很多，安全性略低
  • 这样不就可以在一台物理上部署更多的服务了吗
    • 黑心商人: 的机会来啦！

Kubernetes: “容器编排”

• 跨主机、弹性自动编排
• 自动容错：这是云厂商最爱看到的