Čím dál tím častěji se setkáváme s virtualizací, ze serverů se pomalu dostává i na desktopy, kde už tedy také můžete výhody virtualizace využít. Do procesorů se dostaly další instrukční sady pro její podporu, tak si vysvětlíme, k čemu jsou užitečné a proč tam vlastně jsou.

Při pojmu virtualizace si jistě správně představíte možnost běhu jednoho či více „falešných“ systémů na jednom fyzickém počítači. Této jednoduché představě však odpovídají dva odlišné a někdy i chybně pojmenovávané přístupy: emulace a virtualizace. Ty se liší ve způsobu, jakým je umožněn chod hostovaného systému. Z vnějšího pohledu se může zdát vše stejné, v DOSboxu běží Wolfenstein 3D stejně jako třeba v dosovém režimu Windows 98 nainstalovaných ve VirtualBoxu, v čem je tedy rozdíl?

Virtualizace není emulace

Při emulaci ve skutečnosti neběží kód původního Wolfensteinu, ale za chodu je podle něho vytvářen nový kód, který může běžet přímo na vašem systému. Nově vytvořený kód se snaží provádět strojové instrukce vaší architektury, které jsou ekvivalentní s instrukcemi původního programu. Naproti tomu při virtualizaci se vytváří umělé běhové prostředí (hardware nebo třeba jen operační systém), které umožní spustit přímo původní program. Z toho plynou vlastnosti obou přístupů: při emulaci vzniká daleko větší provozní režie, takže nelze dosahovat tak vysokých výkonů, na druhou stranu je ale možné simulovat (na rozdíl od virtualizace) i hardwarově úplně odlišné architektury, kupříkladu známe emulátory starých osmibitových herních konzolí nebo moderních chytrých telefonů.

Virtualizace pracuje ale trochu jinak. S podobnými přístupy se ale na úrovni různých dílčích systémů v počítačích setkáváme už velmi dlouho. Příkladem mohou být stránkovací soubor používaný při nedostatku operační paměti, diskové pole skládající se ve skutečnosti z více disků nebo třeba virtuální optická mechanika pracující s bitovými kopiemi CD (DVD) uloženými na pevném disku. Dalo by se tedy říci, že se jedná o zaběhnutý způsob, jak odstranit některé nevýhody standardního řešení nebo přidat další výhody. Dalším krokem se tak logicky stává virtualizace celých systémů, se kterou se sice na domácích počítačích nesetkáváme zatím tak často, nicméně i zde si získává své místo.

Jaké výhody tedy může virtualizovaný systém přinést nebo jaké nedostatky odstranit? V serverovém segmentu není virtualizace žádnou novinkou, virtuální stroje se používají například za účelem efektivnějšího využití hardware nebo kvůli izolaci od fyzického hardware pro snadnou přenositelnost, tyto výhody ale v domácím prostředí nejsou tak důležité. Zmíněná izolovanost se ale využít dá velmi dobře, například pro experimentování s neznámými nebo nedůvěryhodnými programy, na pokusy s alternativními operačními systémy, na spuštění programů určených pro jiné OS, na testování při vývoji aplikací a podobně.

Trocha teorie

Izolace je vlastně i jedna ze základních myšlenek virtualizace, virtuální stroje nesmějí mít možnost nekontrolovatelně ovlivňovat hostující systém ani sebe navzájem, je-li jich v provozu více. Vlastně o vnějších podmínkách nemusí mít ani tušení (ano, správně vám to připomíná filmový Matrix). Tyto a následující myšlenky nejsou ale žádnou novinkou, virtualizací se zabývali provozovatelé počítačových systémů již mnohem dříve – již v roce 1974 publikovali Gerald J. Popek a Robert P. Goldberg práci „Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures“ (Formální požadavky virtualizace architektur třetí generace). Tyto požadavky jsou platné stále a dají se vyjádřit takto:

• Věrnost chování
  Program běžící ve virtuálním prostředí se musí chovat v podstatě totožně (až na nepříliš odlišnou rychlost zpracování), jako by běžel běžně přímo na ekvivalentním stroji.
• Kontrola zdrojů
  Virtualizační nástroj musí mít kompletní kontrolu nad všemi virtuálními prostředky a zdroji.
• Efektivita
  Většinový podíl instrukcí hostovaných systémů musí být prováděn bez zásahu virtualizačního nástroje.

Abychom pochopili, jak virtualizace pracuje, je nutné se nejprve trochu pustit do teorie. Instrukční sada se skládá z instrukcí, které se dají dělit do dvou základních skupin: ty které je možné spustit pouze v privilegovaném režimu a na ostatní spustitelné pouze v neprivilegovaném. První z nich může zpracovávat pouze jádro operačního systému, pokud se pokusí privilegovanou instrukci spustit jiný program, je okamžitě řízení zachyceno a předáno zpět operačnímu systému. Toho se využívá i při klasické virtualizaci. Hostovaný operační systém běží sice jako ostatní programy v neprivilegovaném režimu, ale přesto se snaží tyto privilegované instrukce zachytit, při pokusu o jejich pracování je však předáno řízení hostujícímu operačnímu systému nebo hypervizoru (hypervizor je virtualizační prostředí běžící přímo na fyzickém stroji bez klasického operačního systému) a ten se postará o jejich zpracování.

V domácích počítačích je vhodnější způsob vlevo, kdy virtualizační vrstva běží pod klasickým OS, zatímco na serverech častěji běží hypervizor přímo na HW. Zdroj: VMware

Problémem ale je, že u instrukční sady architektury x86 se některé instrukce chovají jinak, jsou-li spuštěny v privilegovaném nebo neprivilegovaném režimu. Kvůli tomu není možné výše zmíněné techniky použít a architektura x86 proto není klasicky virtualizovatelná. Řešení samozřejmě existuje, spočívá v binárním překladu, kdy jsou odchytávány všechny potenciálně nebezpečné instrukce a nahrazovány bezpečným kódem. To samozřejmě přináší zpomalení, ale díky různým pokročilým technikám a používání cache pro přeložený kód, se dá vliv na výkon velmi snížit.