虛擬化技術(shù)是一門古老的新技術(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復(fù)用方案，意在解決當時大型機器使用效率低下的問題。到20世紀60至70年代，虛擬化研究進入了個高速發(fā)展時期，出現(xiàn)了以IBM CP��67/CMS為代表的大型機虛擬化技術(shù)，并提出了硬件架構(gòu)可虛擬化的理論和準則（如敏感指令應(yīng)屬于特權(quán)指令）。但到了20世紀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)計的硬件架構(gòu)不再滿足可虛擬化準則，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）。隨著個人計算機的普及，研究者提出了一系列彌補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國際學(xué)術(shù)會議發(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硬件平臺滿足可虛擬化準則。從2006年亞馬遜以虛擬機形式向企業(yè)提供IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）平臺開始，虛擬化技術(shù)成為當前支撐云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型計算和應(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)研究對于計算機系統(tǒng)非常重要，不少關(guān)鍵技術(shù)的突破首先來自學(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，在計算機硬件和操作系統(tǒng)之間引入一個系統(tǒng)軟件抽象層，向下管理硬件資源，向上對操作系統(tǒng)提供虛擬機接口，其目標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，對初學(xué)者來說是一個很大的挑戰(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150萬行）。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，本書借鑒學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)（Linux內(nèi)核源代碼已超過2700萬行）的方法，借助實驗把重要概念涉及的主干技術(shù)路徑敘述清楚，讀者可以通過調(diào)試和打印直觀理解虛擬化場景的現(xiàn)場，使靜態(tài)的代碼變得鮮活生動。其次，類似于代碼量約1萬行的Linux 0.11，麻雀雖小、五臟俱全，本書第6章從零開始構(gòu)建一個用戶態(tài)輕量級虛擬化平臺，逐步展現(xiàn)虛擬機的構(gòu)建過程，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)域的長期研究和實踐積累，以及和華為虛擬化團隊在openEuler開源操作系統(tǒng)上的合作研究，本書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)實驗，幫助讀者了解系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的來龍去脈，理解基本原理，掌握核心方法，為進一步的研究打下基礎(chǔ)。
本書定位為計算機系統(tǒng)虛擬化領(lǐng)域的專業(yè)圖書，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)知識外，無須其他先修課程。此外，本書受眾還包括有志于計算機系統(tǒng)軟件領(lǐng)域深耕的研發(fā)人員以及對虛擬化感興趣的技術(shù)愛好者。
全書分6章，內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)虛擬化的基本概念和實現(xiàn)方法，將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)分為目前主流的一虛多（把單物理機器抽象成若干虛擬機器）和新型的多虛一（把多物理機抽象成單一虛擬機）。對于傳統(tǒng)一虛多技術(shù)，本書基于開源QEMU/KVM和x86平臺深入介紹了CPU、內(nèi)存和I/O虛擬化的基本原理，并配備了相關(guān)實驗。針對新型多虛一技術(shù)，本書介紹了開源項目GiantVM的CPU、內(nèi)存和I/O多虛一的基本實現(xiàn)方法。此外，針對ARM虛擬化，本書專門介紹基于ARMv8的鯤鵬虛擬化架構(gòu)。后，本書基于內(nèi)存安全的Rust語言從零開始打造一個具備基本功能的輕量級虛擬化平臺StratoVirt，逐步提供CPU、內(nèi)存和I/O的虛擬化能力。從開始運行一段匯編代碼到終能夠運行Linux客戶機操作系統(tǒng)，讀者可以完整經(jīng)歷虛擬化從設(shè)計到實現(xiàn)的全部流程。同時，讀者可以參考華為產(chǎn)品級StratoVirt的源代碼，領(lǐng)略基于Rust語言實現(xiàn)的前沿輕量級虛擬化技術(shù)。感謝實驗室同學(xué)和華為公司對本書撰寫工作做出的重要貢獻，其中第1章主要由戚正偉撰寫，第2章主要由余博識撰寫，第3章主要由賈興國撰寫，第4章主要由張正君撰寫，第5章主要由余博識、賈興國、張正君和楊銘合作撰寫，第6章由徐飛、張亮、楊曉鶴、高煒、楊銘、吳斌、王志鋼撰寫，全書由戚正偉、管海兵修改和審閱。寫作過程中參考了實驗室GiantVM項目的代碼和文檔（主要來自陳育彬、丁卓成、張晉）。項羽心、張晉、鄧天邁等同學(xué)仔細閱讀了本書，并提供了寶貴的修改意見。特別感謝賈興國等對本書插圖的精心繪制，使得比較復(fù)雜的概念更為直觀清晰。虛擬化團隊技術(shù)專家胡欣蔚、范良、章曉峰、吳斌、王志鋼在本書寫作過程中提供了大量的資源和支持。本書后一章的動手實踐思路主要來自王志鋼。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)過多輪修改，使本書質(zhì)量大為提高。
由于虛擬化技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)深入計算機系統(tǒng)的方方面面，加之作者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，懇請讀者批評指正！

作者
2021年5月