Sanal makine - Virtual machine

Program yürütme
Genel konseptler
Kod türleri
Derleme stratejileri
Önemli çalışma zamanları
Önemli derleyiciler ve araç zincirleri

Hesaplamada, bir sanal makine (VM) bir öykünme bir bilgisayar sisteminin. Sanal makineler, bilgisayar mimarileri ve fiziksel bir bilgisayarın işlevselliğini sağlar. Uygulamaları, özel donanım, yazılım veya bunların bir kombinasyonunu içerebilir.

Her biri farklı işlevlere sahip farklı türde sanal makineler vardır:

  • Sistem sanal makineleri (ayrıca adlandırılır tam sanallaştırma VM'ler) gerçek bir makinenin yerini alır. Tümünün yürütülmesi için gereken işlevselliği sağlarlar işletim sistemleri. Bir hipervizör kullanır yerel yürütme donanımı paylaşmak ve yönetmek, birbirinden izole edilmiş, ancak aynı fiziksel makinede bulunan birden fazla ortama izin verir. Modern hipervizörlerin kullanımı donanım destekli sanallaştırma, esas olarak ana bilgisayar CPU'larından sanallaştırmaya özgü donanım.
  • Sanal makineleri işleyin bilgisayar programlarını platformdan bağımsız bir ortamda yürütmek için tasarlanmıştır.

Gibi bazı sanal makineler QEMU, aynı zamanda farklı mimarileri taklit etmek ve başka biri için yazılmış yazılım uygulamalarının ve işletim sistemlerinin yürütülmesine izin vermek için tasarlanmıştır. İşlemci veya mimari. İşletim sistemi düzeyinde sanallaştırma bir bilgisayarın kaynaklarının, çekirdek. Terimler evrensel olarak birbirinin yerine kullanılamaz.

Tanımlar

Sistem sanal makineleri

Ayrıca bakınız: Donanım sanallaştırma ve platform sanallaştırma yazılımının karşılaştırılması

Bir "sanal makine" başlangıçta şu şekilde tanımlanmıştır: Popek ve Goldberg "gerçek bir bilgisayar makinesinin verimli, yalıtılmış bir kopyası" olarak.[1] Mevcut kullanım, herhangi bir gerçek donanıma doğrudan karşılık gelmeyen sanal makineleri içerir.[2]Sanal makineyi çalıştıran fiziksel, "gerçek dünya" donanımı genellikle "ana bilgisayar" olarak adlandırılır ve bu makinede taklit edilen sanal makine genellikle "konuk" olarak adlandırılır. Bir toplantı sahibi, her biri farklı işletim sistemlerini ve donanım platformlarını taklit edebilen birkaç misafiri taklit edebilir.

Birden çok işletim sistemini çalıştırma arzusu, birkaç tek görevli işletim sistemi arasında zaman paylaşımına izin vermek için sanal makinelerin ilk nedeniydi. Bazı açılardan, bir sistem sanal makinesi kavramının bir genellemesi olarak düşünülebilir. sanal bellek tarihsel olarak ondan önce gelen. IBM'in CP / CMS izin veren ilk sistemler tam sanallaştırma, uygulandı zaman paylaşımı her kullanıcıya tek kullanıcılı bir işletim sistemi sağlayarak, Konuşma İzleme Sistemi (CMS). Sanal belleğin aksine, bir sistem sanal makinesi, kullanıcıya kodlarına ayrıcalıklı talimatlar yazma yetkisi verir. Bu yaklaşımın, standart sistem tarafından izin verilmeyen giriş / çıkış aygıtlarının eklenmesi gibi belirli avantajları vardı.[2]

Teknoloji, sanallaştırma amacıyla sanal belleği geliştirdikçe, yeni sistemler aşırı bellek taahhüdü Bir bilgisayar işletim sisteminde birden çok sanal makine arasında bellek paylaşımını yönetmek için uygulanabilir. Paylaşmak mümkün olabilir hafıza sayfaları Aynı fiziksel makinede çalışan birden çok sanal makine arasında aynı içeriğe sahip olan, bu durum onları aynı fiziksel sayfaya eşleyen bir teknikle sonuçlanabilir: çekirdek aynı sayfa birleştirme (KSM). Bu, özellikle aynı veya benzer yazılımı çalıştıran birden çok sanal makine, yazılım kitaplıkları, web sunucuları, ara yazılım bileşenleri vb. Gibi kod bölümlerini tutanlar gibi salt okunur sayfalar için kullanışlıdır. Konuk işletim sistemlerinin ihtiyacı yoktur. ana bilgisayar donanımıyla uyumlu olması ve böylece aynı bilgisayarda farklı işletim sistemlerinin çalıştırılmasını mümkün kılması (örn. pencereler, Linux veya bir işletim sisteminin önceki sürümleri) gelecekteki yazılımları desteklemek için.[3]

Ayrı konuk işletim sistemlerini desteklemek için sanal makinelerin kullanımı, gömülü sistemler. Tipik bir kullanım, bir gerçek zamanlı işletim sistemi Linux veya Windows gibi tercih edilen karmaşık bir işletim sistemiyle aynı anda. Başka bir kullanım, henüz geliştirme aşamasında olan yeni ve kanıtlanmamış yazılımlar için olacaktır, bu nedenle kum havuzu. Sanal makinelerin işletim sistemi geliştirme için başka avantajları vardır ve gelişmiş hata ayıklama erişimi ve daha hızlı yeniden başlatma içerebilir.[4]

Kendi konuk işletim sistemini çalıştıran birden çok VM, sunucu konsolidasyonu için sık sık devreye girer.[5]

Sanal makineleri işleyin

"Uygulama sanal makinesi" buraya yönlendirir. İle karıştırılmamalıdır uygulama sanallaştırma.

Bazen bir uygulama sanal makinesiveya Yönetilen Çalışma Zamanı Ortamı (MRE), bir ana işletim sistemi içinde normal bir uygulama olarak çalışır ve tek bir işlemi destekler. Bu işlem başladığında yaratılır ve çıktığında yok edilir. Amacı, bir platform - Temel donanım veya işletim sisteminin ayrıntılarını özetleyen ve bir programın herhangi bir platformda aynı şekilde çalıştırılmasına izin veren bağımsız programlama ortamı.

Bir süreç sanal makinesi, yüksek düzeyde bir soyutlama sağlar - üst düzey programlama dili (sistem VM'nin düşük seviyeli ISA soyutlamasına kıyasla). İşlem VM'leri bir çevirmen; derlenmiş programlama dilleriyle karşılaştırılabilir performans aşağıdakilerin kullanılmasıyla elde edilebilir tam zamanında derleme.[kaynak belirtilmeli ]

Bu tür sanal makineler, Java programlama dili kullanılarak uygulanan Java sanal makinesi. Diğer örnekler şunları içerir: Parrot sanal makine ve .NET Framework, adlı bir sanal makinede çalışan Ortak dil çalışması. Hepsi bir soyutlama katmanı herhangi bir bilgisayar dili için.

İşlem sanal makinelerinin özel bir durumu, bir (potansiyel olarak heterojen) iletişim mekanizmaları üzerinde soyutlanan sistemlerdir. bilgisayar kümesi. Böyle bir VM, tek bir işlemden değil, kümedeki her fiziksel makine için bir işlemden oluşur. Programcının ara bağlantı ve işletim sistemi tarafından sağlanan iletişim mekanizmaları yerine algoritmalara odaklanmasına izin vererek eşzamanlı uygulamaları programlama görevini kolaylaştırmak için tasarlanmıştır. İletişimin gerçekleştiği gerçeğini gizlemezler ve bu nedenle kümeyi tek bir makine olarak sunmaya çalışmazlar.[kaynak belirtilmeli ]

Diğer süreç sanal makinelerinin aksine, bu sistemler belirli bir programlama dili sağlamaz, ancak mevcut bir dilde yerleşiktir; tipik olarak böyle bir sistem, birkaç dil için bağlantı sağlar (ör. C ve Fortran ).[kaynak belirtilmeli ] Örnekler Paralel Sanal Makine (PVM) ve Mesaj Geçiş Arayüzü (MPI). Bunlar tam anlamıyla sanal makineler değildir, çünkü üstte çalışan uygulamalar hala tüm işletim sistemi hizmetlerine erişime sahiptir ve bu nedenle sistem modeli ile sınırlı değildir.

Tarih

Ayrıca bakınız: CP / CMS Tarihçesi ve sanallaştırma geliştirme zaman çizelgesi

Hem sistem sanal makineleri hem de süreç sanal makineleri 1960'lara dayanmaktadır ve aktif geliştirme alanları olmaya devam etmektedir.

Sistem sanal makineleri dışında gelişti zaman paylaşımı, özellikle uygulandığı gibi Uyumlu Zaman Paylaşım Sistemi (CTSS). Zaman paylaşımı, birden çok kullanıcının bir bilgisayar kullanmasına izin verdi aynı anda: her programın makineye tam erişimi varmış gibi görünüyordu, ancak o anda yalnızca bir program yürütüldü, sistem zaman dilimlerinde programlar arasında geçiş yaptı, her seferinde durumu kaydedip geri yükledi. Bu, özellikle IBM'in araştırma sistemleri aracılığıyla sanal makinelere dönüştü: M44 / 44X, kullanılan kısmi sanallaştırma, ve CP-40 ve SIMMON, kullanılan tam sanallaştırma ve ilk örneklerdi hipervizörler. Yaygın olarak kullanılan ilk sanal makine mimarisi, CP-67 / CMS (bkz. CP / CMS Tarihçesi detaylar için). M44 / 44X ve CP-40'ta olduğu gibi, zaman paylaşımı için bir ana sistem üzerinde birden çok sanal makine kullanmak ile SIMMON'da olduğu gibi prototip oluşturma için bir ana sistem üzerinde bir sanal makine kullanmak arasında önemli bir ayrım vardı. Emülatörler, uyumluluk için önceki sistemlerin donanım öykünmesiyle, IBM System / 360 1963'te[6][7] yazılım öykünmesi (daha sonra "simülasyon" olarak adlandırılır) bundan önce gelir.

Sanal makineleri işleyin aslen soyut platformlar olarak ortaya çıktı. ara dil olarak kullanılan ara temsil tarafından bir programın derleyici; İlk örnekler 1966 civarındadır. 1966'nın başındaki bir örnek, O-kod makinesi, çalıştıran sanal bir makine O kodu (nesne kodu) tarafından yayılan başlangıç ​​aşaması of BCPL derleyici. Bu soyutlama, derleyicinin yeni bir mimari uygulayarak kolayca yeni bir mimariye taşınmasına izin verdi. arka uç Bu, mevcut O-kodunu aldı ve onu temeldeki fiziksel makine için makine koduna derledi. Euler dil, adlandırılmış ara dil ile benzer bir tasarım kullandı P (taşınabilir).[8] Bu, 1970 civarında Pascal özellikle Pascal-P sistemi (1973) ve Pascal-S derleyici (1975), burada adı verildi p kodu ve ortaya çıkan makine p-kod makinesi. Bu etkili olmuştur ve bu anlamda sanal makineler genellikle p-kod makineleri olarak adlandırılmıştır. Pascal p-kodu, bir ara dil olmasının yanı sıra, sanal makineyi uygulayan bir yorumlayıcı tarafından, özellikle UCSD Pascal (1978); bu daha sonraki tercümanları etkiledi, özellikle Java sanal makinesi (JVM). Bir başka erken örnek ise SNOBOL4 (1967), bir sanal makine için bir montaj dili olan SNOBOL Uygulama Dili'nde (SIL) yazılmıştır ve daha sonra yerel bir araya getiricisine aktarılarak fiziksel makinelere hedeflenmiştir. makro birleştirici.[9] Makrolar o zamandan beri gözden düştü, bu nedenle bu yaklaşım daha az etkili oldu. Sanal makineleri işleme, erken mikrobilgisayar yazılımlarını uygulamak için popüler bir yaklaşımdı. Tiny BASIC ve macera oyunları gibi tek seferlik uygulamalardan Piramit 2000 gibi genel amaçlı bir motora Infocom 's z-makinesi, hangi Graham Nelson "Muhtemelen şimdiye kadar oluşturulmuş en taşınabilir sanal makine" olduğunu savunuyor.[10]

Uygulamasında önemli gelişmeler oldu Smalltalk -80,[11]özellikle Deutsch / Schiffmann uygulaması[12]hangi itti tam zamanında (JIT) derleme İşlem sanal makinesini kullanan bir uygulama yaklaşımı olarak ileri.[13]Daha sonra dikkate değer Smalltalk VM'leri VisualWorks, Squeak Sanal Makinesi,[14]ve Strongtalk.[15]Çok sayıda sanal makine yeniliği üreten ilgili bir dil, Kendisi Programlama dili,[16] öncülük eden uyarlanabilir optimizasyon[17] ve nesilsel çöp toplama. Bu tekniklerin ticari olarak başarılı olduğu 1999 yılında Sıcak nokta Java sanal makinesi.[18]Diğer yenilikler arasında, programlama dili için daha yakın bir eşleşme olan yığın tabanlı bir sanal makine yerine, temel donanımla daha iyi eşleştirmek için kayıt tabanlı bir sanal makineye sahip olmak; 1995 yılında bu, Dis sanal makine için Limbo dil. OpenJ9, OpenJDK'da HotSpot JVM için bir alternatiftir ve HotSpot'a kıyasla daha iyi başlangıç ​​ve daha az kaynak tüketimi talep eden açık kaynaklı bir tutulma projesidir.

Tam sanallaştırma

Ana makale: Tam sanallaştırma
Tam sanallaştırmanın mantıksal diyagramı

Tam sanallaştırmada, sanal makine, değiştirilmemiş bir "konuk" işletim sistemine izin vermek için yeterli donanımı simüle eder (biri aynı komut seti ) izolasyonda çalıştırılacak. Bu yaklaşım, 1966'da IBM ile birlikte CP-40 ve CP-67, öncülleri VM aile.

Ana bilgisayar alanı dışındaki örnekler şunları içerir: Parallels İş İstasyonu, Mac için Parallels Desktop, VirtualBox, Sanal Demir, Oracle VM, Sanal PC, Sanal sunucu, Hyper-V, VMware İş İstasyonu, VMware Sunucusu (üretilmiyor, eski adı GSX Sunucusu), VMware ESXi, QEMU, Adeos, Linux üzerinde Mac, Win4BSD, Win4Lin Pro, ve Egenera vBlade teknolojisi.

Donanım destekli sanallaştırma

Ana makale: Donanım destekli sanallaştırma

Donanım destekli sanallaştırmada, donanım, bir sanal makine monitörü oluşturmayı kolaylaştıran mimari destek sağlar ve konuk işletim sistemlerinin yalıtımlı olarak çalıştırılmasına izin verir.[19]Donanım destekli sanallaştırma ilk olarak 1972'de IBM System / 370'de Sanal Makine / 370 IBM'in resmi ürün olarak sunduğu ilk sanal makine işletim sistemi.[20]

2005 ve 2006'da, Intel ve AMD sanallaştırmayı desteklemek için ek donanım sağladı. Sun Microsystems (şimdi Oracle Corporation ) benzer özellikler ekledi. UltraSPARC T-Serisi Bu tür donanıma uyarlanmış sanallaştırma platformlarının örnekleri arasında KVM, VMware İş İstasyonu, VMware Fusion, Hyper-V, Windows Sanal PC, Xen, Mac için Parallels Desktop, SPARC için Oracle VM Sunucusu, VirtualBox ve Parallels İş İstasyonu.

2006 yılında, birinci nesil 32 ve 64 bit x86 donanım desteğinin, yazılım sanallaştırmaya göre nadiren performans avantajları sunduğu keşfedildi.[21]

İşletim sistemi düzeyinde sanallaştırma

Ana makale: İşletim sistemi düzeyinde sanallaştırma

İşletim sistemi düzeyinde sanallaştırmada, bir fiziksel sunucu, işletim sistemi düzeyinde sanallaştırılarak, birden çok izole edilmiş ve güvenli sanallaştırılmış sunucunun tek bir fiziksel sunucu üzerinde çalışmasını sağlar. "Konuk" işletim sistemi ortamları, ana bilgisayar sistemiyle aynı işletim sistemi örneğini paylaşır. Böylece aynı işletim sistemi çekirdeği "konuk" ortamlarını uygulamak için de kullanılır ve belirli bir "konuk" ortamında çalışan uygulamalar, onu bağımsız bir sistem olarak görür. Öncü uygulama FreeBSD hapishaneleri; diğer örnekler şunları içerir Liman işçisi, Solaris Konteynerleri, OpenVZ, Linux-VServer, LXC, AIX İş Yükü Bölümleri, Parallels Virtuozzo Konteynerleri ve iCore Sanal Hesapları.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Popek, Gerald J.; Goldberg, Robert P. (1974). "Sanallaştırılabilir üçüncü nesil mimariler için resmi gereksinimler" (PDF). ACM'nin iletişimi. 17 (7): 412–421. doi:10.1145/361011.361073. S2CID  12680060.
  2. ^ a b Smith, James E .; Nair, Ravi (2005). "Sanal Makinelerin Mimarisi". Bilgisayar. 38 (5): 32–38, 395–396. doi:10.1109 / MC.2005.173. S2CID  6578280.
  3. ^ Oliphant, Patrick. "Sanal makineler". VirtualComputing. Arşivlenen orijinal 2016-07-29 tarihinde. Alındı 2015-09-23. Bazı insanlar bu özelliği, bir Mac üzerinde Windows çalıştıran ayrı bir sanal makine kurmak için kullanır ve her iki platform için de mevcut olan tüm uygulamalara erişim sağlar.
  4. ^ "Süper Hızlı Sunucu Yeniden Başlatma - Sanallaştırmanın harika bir nedeni". vmwarez.com. 2006-05-09. Arşivlenen orijinal 2006-06-14 tarihinde. Alındı 2013-06-14.
  5. ^ "Sanal Altyapıyla Sunucu Konsolidasyonu ve Kapsamı" (PDF). VMware. 2007. Arşivlendi (PDF) 2013-12-28 tarihinde orjinalinden. Alındı 2015-09-29.
  6. ^ Pugh, Emerson W. (1995). IBM'i Oluşturmak: Bir Sektörü ve Teknolojisini Şekillendirmek. MIT. s.274. ISBN  978-0-262-16147-3.
  7. ^ Pugh, Emerson W.; et al. (1991). IBM'in 360 ve Erken 370 Sistemleri. MIT. pp.160–161. ISBN  978-0-262-16123-7.
  8. ^ Wirth, Niklaus Emil; Weber, Helmut (1966). EULER: ALGOL'un bir genellemesi ve resmi tanımı: Bölüm II, Bilgi İşlem Makineleri Birliği'nin İletişimleri. 9. New York: ACM. s. 89–99.
  9. ^ Griswold, Ralph E. SNOBOL4'ün Makro Uygulaması. San Francisco, CA: W.H. Freeman and Company, 1972 (ISBN  0-7167-0447-1), Bölüm 1.
  10. ^ Nelson, Graham A. "Tercümanlar Hakkında". Web sitesini bilgilendirin. Arşivlendi 2009-12-03 tarihinde orjinalinden. Alındı 2009-11-07.
  11. ^ Goldberg, Adele; Robson, David (1983). Smalltalk-80: Dil ve Uygulanması. Bilgisayar Bilimlerinde Addison-Wesley Serileri. Addison-Wesley. ISBN  978-0-201-11371-6.
  12. ^ Deutsch, L. Peter; Schiffman, Allan M. (1984). "Smalltalk-80 sisteminin verimli uygulanması". POPL. Salt Lake City, Utah: ACM. doi:10.1145/800017.800542. ISBN  0-89791-125-3.
  13. ^ Aycock, John (2003). "Tam zamanında kısa bir tarihçe". ACM Comput. Surv. 35 (2): 97–113. doi:10.1145/857076.857077. S2CID  15345671.
  14. ^ Ingalls, Jr., Daniel "Dan" Henry Holmes; Kaehler, Ted; Maloney, John; Wallace, Scott; Kay, Alan Curtis (1997). "Geleceğe dönüş: Squeak'ın hikayesi, kendi başına yazılmış pratik bir Smalltalk". OOPSLA '97: Nesneye yönelik programlama, sistemler, diller ve uygulamalar üzerine 12. ACM SIGPLAN konferansının bildirileri. New York, NY, ABD: ACM Press. sayfa 318–326. doi:10.1145/263698.263754. ISBN  0-89791-908-4.
  15. ^ Bracha, Gilad; Griswold, David (1993). "Strongtalk: Bir Üretim Ortamında Smalltalk Yazma Kontrolü". Sekizinci Yıllık Nesne Tabanlı Programlama Sistemleri, Diller ve Uygulamalar Konferansı Bildirileri. OOPSLA '93. New York, NY, ABD: ACM. s. 215–230. doi:10.1145/165854.165893. ISBN  978-0-89791-587-8.
  16. ^ Ungar, David Michael; Smith, Randall B. (Aralık 1987). "Benlik: Basitliğin gücü". ACM SIGPLAN Bildirimleri. 22 (12): 227–242. doi:10.1145/38807.38828. ISSN  0362-1340.
  17. ^ Hölzle, Urs; Ungar, David Michael (1994). "Dinamik olarak gönderilen çağrıları çalışma zamanı türü geri bildirimi ile optimize etme". PLDI. Orlando, Florida, Amerika Birleşik Devletleri: ACM. s. 326–336. doi:10.1145/178243.178478. ISBN  0-89791-662-X.
  18. ^ Paleczny, Michael; Vick, Christopher; Tıklayın, Cliff (2001). "Java HotSpot sunucu derleyicisi". Java Sanal Makine Araştırma ve Teknolojisi Sempozyumu Java Sanal Makine Araştırma ve Teknolojisi Sempozyumu Bildirileri. 1. Monterey, California: USENIX Derneği.
  19. ^ Uhlig, Rich; Neiger, Gil; Rodgers, Dion; Santoni, Amy L .; Martins, Fernando C. M .; Anderson, Andrew V .; Bennett, Steven M.; Kägi, Alain; Leung, Felix H .; Smith, Larry (Mayıs 2005). "Intel sanallaştırma teknolojisi". Bilgisayar. 38 (5): 48–56. doi:10.1109 / MC.2005.163. S2CID  18514555.
  20. ^ Randal, A. (2019). Gerçeğe Karşı İdeal: Sanal Makinelerin ve Konteynerlerin Tarihini Yeniden İncelemek.
  21. ^ Adams, Keith; Agesen, Ole (2006-10-21). X86 Sanallaştırma için Yazılım ve Donanım Tekniklerinin Karşılaştırması (PDF). ASPLOS’06 21–25 Ekim 2006. San Jose, California, ABD. Arşivlendi (PDF) 2010-08-20 tarihinde orjinalinden. Şaşırtıcı bir şekilde, birinci nesil donanım desteğinin nadiren mevcut yazılım tekniklerine göre performans avantajları sunduğunu gördük. Bu durumu, yüksek VMM / konuk geçiş maliyetlerine ve bu geçişlerin sıklığını veya maliyetini yönetmede yazılım esnekliği için çok az yer bırakan katı bir programlama modeline bağlıyoruz.

daha fazla okuma

  • James E. Smith, Ravi Nair, Sanal Makineler: Sistemler ve Süreçler İçin Çok Yönlü Platformlar, Morgan Kaufmann, Mayıs 2005, ISBN  1-55860-910-5, 656 sayfa (hem işlem hem de sistem sanal makinelerini kapsar)
  • Craig, Iain D. Sanal makineler. Springer, 2006, ISBN  1-85233-969-1, 269 sayfa (yalnızca işlem sanal makineleri kapsar)

Dış bağlantılar