虚拟化与云计算技术硬核内幕 (20) —— 时间管理大师(下)

在上期，小E理解了什么是“时间管理大师”。实际上，这种将物理硬件分配给多个使用者的技术，叫做“时分复用”。计算机操作系统的任务调度模块，实质上提供的就是将CPU以“时分复用”的方式给不同任务使用的机制。

那么，如果在虚拟化系统中，也利用时分复用机制，将一个物理CPU或HT分配给多个虚拟机使用，就可以让多个虚拟机共用1个物理HT，也就是在虚拟机操作系统视角看到的CPU数量多于宿主机的物理HT数量。这就是所谓的“超分配”。

在Linux自带的KVM中，超分配实际上是默认的方式。

下图是Linux KVM中，vCPU的实现方式：

一般在每台物理服务器上，会有2-4个物理CPU，每个物理CPU内部都会有若干个Core。Intel的处理器在开启了VT技术后，每个Core有两个HT(Hyper-Threads)，在宿主机上的Linux操作系统看来就是两个CPU。

如某台服务器配置了2颗Intel 5218R CPU，每颗有20核，整机40核，那么，服务器上的操作系统可以检测到80个HT，也就是在操作系统看来，整机有80个CPU。

在Linux侧，KVM中，每一个VM就是一个用户空间的QEMU进程，而分配给VM的vCPU就是该QEMU进程的一个线程Thread。如某VM有4个vCPU，那么，这个QEMU进程中就有4个Thread。

由于Linux是一个SMP操作系统，在没有特殊设置的前提下，Linux的每个线程或进程，都可以被Linux调度到任意一个CPU。如果用户期望虚拟机的vCPU独占一个HT，可以通过把vCPU对应的QEMU进程下的thread绑定到HT来实现。

如图，VM1的vCPU0和vCPU1被绑定到两个硬件HT，每个vCPU都有对应的硬件HT。

而VM2，采取了“时间管理大师”的方式进行调度，如图，VM2的vCPU0和vCPU1，对应的QEMU线程在同一个硬件HT上运行，CPU会利用时分复用的方式调度两个QEMU的线程，也就是将一个硬件HT作为2个vCPU提供给虚拟机使用。

看到这里，大家可能会有一个疑问：VM上的vCPU是运行了包括GuestOS本身在内的多任务的，而它又只是QEMU的一个线程，这不是矛盾的吗？这个线程实际上到底会让物理CPU的HT执行什么样的指令呢？

让我们回忆一下《虚拟化与云计算硬核技术内幕 (6) —— 妇女能顶半边天》里面，我们提到的：

Intel通过增加了VT-X系列机制，在VM Entry和VM Exit中让一个HT可以在宿主机状态和虚拟机状态之间切换。

实际上，当VM的vCPU发生VM Exit，退回到hypervisor的时候，就是退回到QEMU中，也就是当前VM GuestOS上的程序代码在运行时被切掉，CPU转而执行QEMU的代码！

如果这个vCPU是超分配出来的，也就是对应的QEMU线程会与其他VM的vCPU共用一个HT，那么，在系统的时钟中断中，会无条件切断虚拟机vCPU在这个HT上的运行，并引发VM Exit，中断处理程序会做下面这些事情：

1. 保存vCPU的运行现场(各寄存器)，特别是保存在堆栈中的切断时的程序指针(CS:IP)、标志位(EFLAGS)、堆栈选择子SS和堆栈指针SP；
2. 进入Linux的任务调度程序；
3. 确定该HT上应当运行的下一个任务，并将该任务上次被时钟中断切掉时的现场恢复到CPU的各寄存器；
4. 最后执行iret指令，把下一个任务的SS，SP，EFLAGS和CS:IP数据恢复到CPU的这两个寄存器，CPU开始执行下一个任务；

由于这个HT已经被虚拟化KVM所管理，上面只会运行分配给不同VM的vCPU对应的线程，因此，下一个任务一定是其他VM对应的QEMU里面，拉起vCPU的线程。这个线程会再次通过VM Entry，转到上次这个vCPU被时钟中断切断的执行现场，继续执行该vCPU服务于虚拟机时的程序。

这样，Linux操作系统的“时间管理大师”功能就可以用于虚拟机对CPU资源的时分复用啦！

然而，小E又思考了一个新的问题：

在虚拟化系统中，CPU可以通过“时间管理大师”的方式被多个虚拟机复用，或“超卖”，那么，有没有办法让内存也这样“超卖”呢？

请看下回分解。