虚拟机的各种形态
虚拟机的各种形态
（本文由阿男和小李同学的聊天记录整理而成，感谢小李同学进行编辑与整理）
Docker这样的容器和VMWare，VirtualBox这样的虚拟机之间有什么区别？
网上的介绍一般都是：Docker是个container，而VMWare这些是hypervisor。
那么container和hypervisor的区别又在哪里呢？
下面是一张错误的图1：
上面的图中，左边是对的：hypervisor是在host os上模拟一层硬件，类似于一台虚拟的电脑，然后在hypervisor之上，可以安装各种操作系统。
因为操作系统是认为自己运行在真实的一个硬件平台之上，所以在这个平台上可以安装各种操作系统。
所以说，hypervisor模拟的是硬件本身。
除了virtualbox，vmware这些一站式的，商业化的虚拟机产品，现在还有基于操作系统，开源的一些hypervisor，比如kvm和qemu这样的虚拟化工具2：
可以看到想这样的hypervisor，本身和操作系统的内核绑定的更紧密。这样的hypervisor往往不像vmware那样大而全，而是针对特定操作系统。比如kvm就是基于linux操作系统的。然后在kvm+qemu之上可以安装windows或linux操作系统。
hypervisor所支持的平台，以及在它之上所能安装的操作系统，取决于hypervisor产品自身是如何实现的。要支持的操作系统越多，要模拟的硬件环境越全面，产品本身肯定就更复杂。
接下来说说对container的错误理解：
上面这个图的错误在于，container并不是在operation system和上层的各个apps之间的。正确的图是这样的：
可以看到，docker只是对主机操作系统的一个资源管理而已，它只负责划分主机操作系统的资源，而不存在一个虚拟的硬件层面（仅在Linux平台上是这样，MacOS和Windows平台的docker下面再讨论）。
上面这句话是什么意思呢？
我们可以登录进一个docker的container，然后查看它的kernel目录：
可以看到，这个linux的container里面，内核是没有的！
也就是说，运行在docker上面的，是一个没有kernel的linux操作系统。那么这个container里面对kernel的syscall都是跑去哪里了呢？
如果你的host os是linux，也就是说，你的docker跑在linux操作系统上，那么这个container的所有kernel的syscall都是直接由docker交给host os完成的。
因此，docker是一个linux对linux的container manager。它的container里运行的是linux系统（没有kernel），然后container里的程序，实际上是跑在真正的host的linux操作系统上面的。而docker本身其实只是管理一下各个container对host os的资源使用：
那么这就带来一些问题：
- 如果运行的container里面的linux版本，和host上的linux版本不一致怎么办？
- 如果container里面的是32bit的操作系统，而host上的linux是64bit的版本怎么办？
对于第一个问题，其实linux本身是靠kernel的版本来区分的，而不是linux的各个发行版本。而现在新的kernel版本往往兼容旧版本下编译的代码，所以不会存在container里面程序无法执行的情况。
但是，一些用到特定版本的内核功能的程序，就会失效，比如各种设备的驱动代码。因为docker本身是不存在硬件的虚拟层面的，所以这些驱动的代码是无法运行在docker的container里面的。
对于第二个问题，32bit的linux系统如何用行在64bit的host kernel上。因为linux的64bit kernel本身是支持32bit的程序运行的，所以也没什么问题。但是一些特定的不兼容的代码，实际上是会运行失败的。
因此，docker实现的是对linux的系统资源划分，而不是硬件层面的虚拟化，因此它在最初始也只支持linux的host上运行linux的container。而它对host os的资源划分以及对container的资源管理，是通过linux自身的cgroups这个特性来实现的3。
在后续的docker版本当中，加入了对windows和macos的host支持，那么这个是怎么实现的呢？
因为macos和windows的内核不是linux内核了，因此，docker的containers在windows和macos上肯定不是直接运行在host os的kernel上了，这里面有一个虚拟层。要在macos和windows的内核之上，虚拟出linux kernel出来。
docker在这里，针对不同平台使用了不同的技术。在windows下，它使用了hyper-V4这个微软自己开发的虚拟机；在macos下，它使用了hyperkit5这个虚拟工具。
注意这两个工具都是hypervisor，也就是说，它们都提供虚拟的硬件层面。所以docker在macos和windows下和linux下运行的版本有本质不同。docker在linux下只是进行资源的划分，而在windows和macos下是提供一个hypervisor，然后它基于hypervisor再虚拟出linux kernel来。
在用户的使用角度来看，docker在各平台的使用方法，用户接口都是一样的，都是linux kernel。但在实际实现上，在linux平台和在其它平台是本质不同的。因此linux平台上运行docker是效率最高的，因为它没有硬件虚拟层面。
最后聊聊语言级别的虚拟机，比如Java的JVM虚拟机。
这种虚拟机其实也算是模拟一个硬件平台，但是它模拟的不是真实的硬件架构，而是它自己定义的一种主机架构。
比如JVM，这个虚拟主机并不不支持intel的汇编代码，也不模拟intel架构下的硬件平台。它自己定义一套指令集，叫做bytecode，然后虚拟机本身非常简化，自己提供内存管理，代码执行这些功能，不需要考虑去模拟什么真实的硬件。
不管用户使用scala，java还是clojure编写代码，所有运行在JVM虚拟机上的代码，都要被编译成bytecode：
public class Hello {
public static void main() {
System.out.println("Hello, world!");
}
}
$ javac Hello.java
$ javap -c Hello.class
Compiled from "Hello.java"
public class Hello {
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main();
Code:
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String Hello, world!
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
}
这些bytecode代码，就相当于是JVM这个虚拟机的汇编代码。
语言级别虚拟机的好处是，你可以不管你的代码运行在什么操作系统上，只要你在你的操作系统上安装了这个虚拟机，你的代码就可以编译，并运行在这个虚拟机之上。
而虚拟机本身的实现，则和各个平台相关，由虚拟机的实现者去负责在各个平台上去实现。
比如Java，针对不同操作系统，有不同的发行版本。你在MacOS，Windows或Linux上，要下载各个平台对应的Java发型版本。它们的实现是各不相同的，跟操作系统相关，但是它们的虚拟机实现是完全一致的。
现代的编程语言几乎都是这个架构，都有虚拟机这个层面。比如Ruby，从1.9版本以后，Ruby代码就要编译成它的虚拟机YARV的虚拟机代码。下面是例子：
$ irb
irb(main):001:0> code = <<END
irb(main):002:0" puts 2+2
irb(main):003:0" END
=> "puts 2+2\n"
irb(main):004:0> puts RubyVM::InstructionSequence.compile(code).disasm
== disasm: #<ISeq:<compiled>@<compiled>>================================
0000 trace 1 ( 1)
0002 putself
0003 putobject 2
0005 putobject 2
0007 opt_plus <callinfo!mid:+, argc:1, ARGS_SIMPLE>, <callcache>
0010 opt_send_without_block <callinfo!mid:puts, argc:1, FCALL|ARGS_SIMPLE>, <callcache>
0013 leave
=> nil
以上是关于各种虚拟机的一些讲解，最后再次感谢小李同学的归纳整理。