虚拟化实现—内存虚拟化

因为VMM (Virtual Machine Monitor) 掌控所有系统资源，因此VMM 握有整个内存资源，其负责页式内存管理，维护虚拟地址到机器地址的映射关系。因Guest OS本身亦有页式内存管理机制，则有VMM的整个系统就比正常系统多了一层映射：

1. 虚拟地址(VA)，指 Guest OS 提供给其应用程序使用的线性地址空间；
2. 物理地址(PA)，经 VMM 抽象的、虚拟机看到的伪物理地址；
3. 机器地址(MA)，真实的机器地址，即地址总线上出现的地址信号；

映射关系如下：Guest OS: PA = f(VA)、VMM: MA = g(PA)

VMM 维护一套页表，负责PA 到MA 的映射。Guest OS 维护一套页表，负责VA 到PA 的映射。实际运行时，用户程序访问VA1，经Guest OS 的页表转换得到PA1，再由VMM 介入，使用VMM 的页表将PA1 转换为MA1。

页表虚拟化技术原理：

普通 MMU只能完成一次虚拟地址到物理地址的映射，在虚拟机环境下，经过 MMU 转换所得到的“物理地址”并不是真正的机器地址。若需得到真正的机器地址，必须由VMM 介入，再经过一次映射才能得到总线上使用的机器地址。如果虚拟机的每个内存访问都需要VMM 介入，并由软件模拟地址转换的效率是很低下的，几乎不具有实际可用性，为实现虚拟地址到机器地址的高效转换，现普遍采用的思想是：由VMM根据映射f和g生成复合的映射fg，并直接将这个映射关系写入 MMU。当前采用的页表虚拟化方法主要是MMU类虚拟化（MMU Paravirtualization）和影子页表，后者已被内存的硬件辅助虚拟化技术所替代。

1、MMU virtualization

其基本原理是：当Guest OS创建一个新的页表时，会从它所维护的空闲内存中分配一个页面，并向VMM注册该页面，VMM会剥夺Guest OS对该页表的写权限，之后Guest OS对该页表的写操作都会陷入到VMM加以验证和转换。VMM会检查页表中的每一项，确保他们只映射了属于该虚拟机的机器页面，而且不得包含对页表页面的可写映射。后VMM会根据自己所维护的映射关系，将页表项中的物理地址替换为相应的机器地址，最后再把修改过的页表载入MMU。如此，MMU就可以根据修改过页表直接完成虚拟地址到机器地址的转换。

2、内存硬件辅助虚拟化

内存的硬件辅助虚拟化技术是用于替代虚拟化技术中软件实现的“影子页表”的一种硬件辅助虚拟化技术，其基本原理是：GVA（客户操作系统的虚拟地址）-> GPA（客户操作系统的物理地址）-> HPA（宿主操作系统的物理地址）两次地址转换都由CPU硬件自动完成（软件实现内存开销大、性能差）。以VT-x技术的页表扩充技术Extended Page Table（EPT）为例，首先VMM预先把客户机物理地址转换到机器地址的EPT页表设置到CPU中；其次客户机修改客户机页表无需VMM干预；最后，地址转换时，CPU自动查找两张页表完成客户机虚拟地址到机器地址的转换。使用内存的硬件辅助虚拟化技术，客户机运行过程中无需VMM干预，去除了大量软件开销，内存访问性能接近物理机。