#头条创作挑战赛#

虚拟机是个用软件实现的CPU，而CPU的权限控制分为系统级和用户级。

例如，Linux内核就运行在CPU的最高优先级（ring0），而普通应用程序则运行在最低优先级（ring3）。

虽然英特尔把CPU的权限分了4个优先级，但实际只用到了2个。

对于虚拟机来说，要想模拟操作系统的运行，也必须进行权限分级。

1，CPU的权限分级，主要是指内存的访问权限。

intel的CPU分为实模式和保护模式，保护模式最主要的作用就是保护内存的访问权限。

内核代码可以访问所有的内存，但是用户代码只能访问进程的用户空间（内存）。

用户空间的内存是通过进程的页表来管理的，而进程的页表只能通过系统内核来修改。

当使用malloc()分配内存的时候，实际上并不是分配一块物理内存，而只是把用户空间的某一个内存范围设置为可用。

只有当进程代码真去读写这个内存范围的时候，操作系统才会给它分配物理内存，即Linux的写时复制和需求加载机制。

所以虚拟机要想“模拟”操作系统的运行，首先要模拟CPU的保护模式。

2，CPU保护模式的实现，靠的就是几个控制寄存器。

对于intel CPU来说，跟保护模式下相关的寄存器是cr0, cr1, cr2, cr3。

其中cr0用于控制分段和分页机制，一旦开启内存的分段机制就进入了保护模式。

一旦开启了内存的分页机制，操作系统可以支持的进程个数就是无限的了。

开启了分页之后，操作系统就可以4096字节的一个页为单位，为进程分配“必需的”内存空间，非常的灵活。

什么时候必需？

当然是写时复制和需求加载的时候必需，所以进程刚创建时除了它的task_struct结构之外，只需要给它分配4096字节做为页目录即可，其他的都可以跟父进程共享。

对于多进程多任务的操作系统来说，内存的分页机制是必需的，因为分段机制太死板了。

cr3就是页目录基地址寄存器，哪个进程运行时它就指向哪个进程的页表，内核运行时它就指向内核页表。

cr2在缺页中断时用于保存进程用户空间的内存地址。在哪个位置出错了，就保存哪个地址，然后操作系统就会为那个位置（所在的内存页）分配内存。

获取一个位置addr所在的内存页非常的简单，把它的最低12位清零就行，addr & ~0xfff[呲牙]

3，虚拟机要想模拟操作系统的运行，必须自己实现MMU的功能。

操作系统的运行，首先要依赖这几个控制寄存器。

这几个控制寄存器的主要作用，其实就是内存管理。

在真实的硬件上，内存管理是通过MMU实现的。MMU可以根据进程的页表实现用户空间的内存地址（线性地址）到物理内存的映射。

如果在虚拟机上，这部分功能就只能通过代码去实现了。

虚拟机要实现三层内存地址的映射：虚拟进程的用户内存地址 --> 虚拟物理内存的物理地址 --> 虚拟机所在的真实进程的用户内存地址。

OS虚拟机的内存映射过程

所以像qemu这种能够直接运行Linux系统的大型虚拟机，是必须要实现CPU的控制寄存器和系统级指令的。

系统级指令，指的是只能在内核代码（或引导扇区）里运行的指令，例如：

pushfl 把标志寄存器压栈，

mov cr2, eax 把导致缺页的内存地址读到eax寄存器，

mov ax, cs 加载段选择符，等等。

4，脚本语言的虚拟机

脚本语言因为是运行在用户进程中，运行的代码也是用户态代码，所以实现起来比qemu这类虚拟机要简单的多。

它只需要解释一些常用指令就行了，不需要处理系统级的指令，也不需要管理复杂的内存映射。

它只需要把编译之后的字节码文件根据程序头的信息加载起来，并且处理动态库函数的调用（动态链接），就可以实现脚本语言的运行了。

最主要的是，脚本语言的字节码和编译器都是脚本语言的作者设计的，作者可以实现字节码和虚拟机的精确匹配，而不需要去实现CPU的整个指令集。

系统级的虚拟机就不得不实现CPU的整个指令集，因为OS内核被编译之后有可能用到CPU的所有指令，其中任何一条指令没被支持都可能导致内核运行失败。

脚本语言的虚拟机怎么写，之前已经说过了，不再细说了。