虛擬化技術(shù)是一門(mén)古老的新技術(shù)。早在1959年，牛津大學(xué)Christopher Strachey就提出了具有虛擬化概念的高效分時(shí)復(fù)用方案，意在解決當(dāng)時(shí)大型機(jī)器使用效率低下的問(wèn)題。到20世紀(jì)60至70年代，虛擬化研究進(jìn)入了個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了以IBM CP��67/CMS為代表的大型機(jī)虛擬化技術(shù)，并提出了硬件架構(gòu)可虛擬化的理論和準(zhǔn)則（如敏感指令應(yīng)屬于特權(quán)指令）。但到了20世紀(jì)80年代，隨著操作系統(tǒng)的成熟，資源管理不再以虛擬化為中心，MIPS和x86等CPU廠商出于成本和商業(yè)考慮，設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)不再滿足可虛擬化準(zhǔn)則，形成了所謂的虛擬化漏洞（例如，x86有5類共17條敏感指令，但不屬于特權(quán)指令）。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，研究者提出了一系列彌補(bǔ)x86架構(gòu)虛擬化漏洞的方法，代表性的技術(shù)有斯坦福大學(xué)Mendel Rosenblum等在SOSP 1997國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表的DISCO系統(tǒng)，虛擬化技術(shù)重新興起。隨后，Intel和AMD等硬件廠商提出了硬件輔助虛擬化，使得x86硬件平臺(tái)滿足可虛擬化準(zhǔn)則。從2006年亞馬遜以虛擬機(jī)形式向企業(yè)提供IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）平臺(tái)開(kāi)始，虛擬化技術(shù)成為當(dāng)前支撐云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型計(jì)算和應(yīng)用模型的關(guān)鍵根技術(shù)。
回顧虛擬化的發(fā)展歷史，可得出一些重要啟示。一是基礎(chǔ)研究對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)非常重要，不少關(guān)鍵技術(shù)的突破首先來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的前沿研究； 二是的技術(shù)未必用于產(chǎn)品，成本和市場(chǎng)也是重要考量（ARM和RISC�睼初期也不是可虛擬化硬件架構(gòu)，如ARMv6有4大類24條敏感非特權(quán)指令）。因此，深入理解虛擬化技術(shù)，把握其內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律，對(duì)于虛擬化的創(chuàng)新發(fā)展有重要作用。
系統(tǒng)虛擬化作為物理硬件層的虛擬化，在計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)之間引入一個(gè)系統(tǒng)軟件抽象層，向下管理硬件資源，向上對(duì)操作系統(tǒng)提供虛擬機(jī)接口，其目標(biāo)可概括為功能不缺失、性能不損失。因此，系統(tǒng)虛擬化涉及操作系統(tǒng)和硬件接口，技術(shù)體系比較復(fù)雜，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。讀者如果不了解虛擬化技術(shù)的基本原理而去直接翻閱源代碼，例如開(kāi)源的QEMU/KVM，很容易抓不住主線，迷失在龐大的代碼中（QEMU源代碼已超過(guò)150萬(wàn)行）。然而要把源代碼涉及的方方面面都講清楚需要極大的篇幅。因此，本書(shū)借鑒學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)（Linux內(nèi)核源代碼已超過(guò)2700萬(wàn)行）的方法，借助實(shí)驗(yàn)把重要概念涉及的主干技術(shù)路徑敘述清楚，讀者可以通過(guò)調(diào)試和打印直觀理解虛擬化場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)，使靜態(tài)的代碼變得鮮活生動(dòng)。其次，類似于代碼量約1萬(wàn)行的Linux 0.11，麻雀雖小、五臟俱全，本書(shū)第6章從零開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)用戶態(tài)輕量級(jí)虛擬化平臺(tái)，逐步展現(xiàn)虛擬機(jī)的構(gòu)建過(guò)程，掌握系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的關(guān)鍵基因圖譜。
基于在虛擬化領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究和實(shí)踐積累，以及和華為虛擬化團(tuán)隊(duì)在openEuler開(kāi)源操作系統(tǒng)上的合作研究，本書(shū)試圖從龐大的虛擬化技術(shù)中厘清關(guān)鍵路徑，并配以相關(guān)實(shí)驗(yàn)，幫助讀者了解系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的來(lái)龍去脈，理解基本原理，掌握核心方法，為進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)。
本書(shū)定位為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬化領(lǐng)域的專業(yè)圖書(shū)，面向工程科技類普通讀者。讀者除了需要具備基本的硬件體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)知識(shí)外，無(wú)須其他先修課程。此外，本書(shū)受眾還包括有志于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件領(lǐng)域深耕的研發(fā)人員以及對(duì)虛擬化感興趣的技術(shù)愛(ài)好者。
全書(shū)分6章，內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)虛擬化的基本概念和實(shí)現(xiàn)方法，將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)分為目前主流的一虛多（把單物理機(jī)器抽象成若干虛擬機(jī)器）和新型的多虛一（把多物理機(jī)抽象成單一虛擬機(jī)）。對(duì)于傳統(tǒng)一虛多技術(shù)，本書(shū)基于開(kāi)源QEMU/KVM和x86平臺(tái)深入介紹了CPU、內(nèi)存和I/O虛擬化的基本原理，并配備了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)新型多虛一技術(shù)，本書(shū)介紹了開(kāi)源項(xiàng)目GiantVM的CPU、內(nèi)存和I/O多虛一的基本實(shí)現(xiàn)方法。此外，針對(duì)ARM虛擬化，本書(shū)專門(mén)介紹基于ARMv8的鯤鵬虛擬化架構(gòu)。后，本書(shū)基于內(nèi)存安全的Rust語(yǔ)言從零開(kāi)始打造一個(gè)具備基本功能的輕量級(jí)虛擬化平臺(tái)StratoVirt，逐步提供CPU、內(nèi)存和I/O的虛擬化能力。從開(kāi)始運(yùn)行一段匯編代碼到終能夠運(yùn)行Linux客戶機(jī)操作系統(tǒng)，讀者可以完整經(jīng)歷虛擬化從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全部流程。同時(shí)，讀者可以參考華為產(chǎn)品級(jí)StratoVirt的源代碼，領(lǐng)略基于Rust語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的前沿輕量級(jí)虛擬化技術(shù)。感謝實(shí)驗(yàn)室同學(xué)和華為公司對(duì)本書(shū)撰寫(xiě)工作做出的重要貢獻(xiàn)，其中第1章主要由戚正偉撰寫(xiě)，第2章主要由余博識(shí)撰寫(xiě)，第3章主要由賈興國(guó)撰寫(xiě)，第4章主要由張正君撰寫(xiě)，第5章主要由余博識(shí)、賈興國(guó)、張正君和楊銘合作撰寫(xiě)，第6章由徐飛、張亮、楊曉鶴、高煒、楊銘、吳斌、王志鋼撰寫(xiě)，全書(shū)由戚正偉、管海兵修改和審閱。寫(xiě)作過(guò)程中參考了實(shí)驗(yàn)室GiantVM項(xiàng)目的代碼和文檔（主要來(lái)自陳育彬、丁卓成、張晉）。項(xiàng)羽心、張晉、鄧天邁等同學(xué)仔細(xì)閱讀了本書(shū)，并提供了寶貴的修改意見(jiàn)。特別感謝賈興國(guó)等對(duì)本書(shū)插圖的精心繪制，使得比較復(fù)雜的概念更為直觀清晰。虛擬化團(tuán)隊(duì)技術(shù)專家胡欣蔚、范良、章曉峰、吳斌、王志鋼在本書(shū)寫(xiě)作過(guò)程中提供了大量的資源和支持。本書(shū)后一章的動(dòng)手實(shí)踐思路主要來(lái)自王志鋼。感謝清華大學(xué)出版社盛東亮老師和鐘志芳老師等的大力支持，經(jīng)過(guò)多輪修改，使本書(shū)質(zhì)量大為提高。
由于虛擬化技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)深入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方方面面，加之作者水平有限，書(shū)中難免有疏漏和不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

作者
2021年5月