“按需应用'(2)——虚拟机就是X86

来点蛋糕

一个蛋糕一个人吃不完，大家分着吃而已。只要还是这点胃口，就不会是因为分着吃了，会吃不饱；分蛋糕的时候，刀上总会沾点奶油和蛋糕屑，这就是损耗，但损耗微不足道。被分的蛋糕还是蛋糕，只不过变小了，可以让多个人吃了，不再浪费。

    X86服务器主要是由CPU、内存和I/O设备通过共享“总线”构成的（如图1）。总线的英语是“BUS”，为什么是“公共汽车”呢？数据可以在任何一个车站（即I/O设备）上车，通过总线的“仲裁，请求，侦听，响应”到目的“车站”下车，完成相应的工作。实际上总线就是服务器内控制有序的网络，和外部通过以太网交换机或FC交换机等相连的网络是一样的。两者最大的区别只是带宽和速率。

图1

    北桥、南桥是主板上芯片组中最重要的两块了，它们都是总线控制器。北桥连接系统总线，担负着 CPU访问内存的重任。同时连接这AGP插口,控制PCI总线，在这一段上速度是最快的。南桥不和CPU直接连接，通常用来作I/O 和IDE设备的控制，速度比较慢。

资源池内常用的中国电信定制化服务器采用的Intel E5-2630v3（2.4Ghz，8核）CPU为例展开讨论（如图2）。

随着需求的发展，北桥的“前端总线”（FSB，Front side bus）成为瓶颈，这个芯片将北桥的功能集成的CPU中。通过内置的内存管理器连接内存，采用QPI总线，速率达到了8GT/s。

南桥芯片连接了相对低速的I/O设备，比如网卡、硬盘、USB设备、HBA卡、PCIe设备等等。对于云计算资源池来说，连接外部网络的网卡、HBA卡、内部的硬盘、PCIe SSD等是重点要关注的设备。

图2（单击打开放大看更清楚）

我们要重新认识几个常见的时间单位，这个用的少，常常被遗忘的：

1纳秒=十亿分之一秒 ；1毫秒=一千分之一秒

 

当CPU的频率等于2.4Ghz的时候，其周期就是频率的倒数，即0.4纳秒。一般情况下，绝大多数的CPU指令是可以在不到一个周期内完成。0.4纳秒是什么概念呢？如果换算成为光走的距离，也只有12厘米。CPU的运算速度如“闪电”这句话真不夸张！

为了便于表达，定义t=0.4纳秒；

   在CPU核内的时延=1t（0.4ns）   光跑出0.12米

   从CPU L1缓存的时延长>=3t（1.2ns）光跑出0.36米

   从CPU L2缓存的时延长>=14t（5.6ns）光跑出1.68米

   从内存的时延长>=240t（96ns）光跑出28.8米

   在内网的时延长>=250万t（1ms）光跑出300千米

   在机械磁盘的时延长>=2500万t（10ms）光跑出3000千米

 

如果大家还没有感觉，我们把t这个时间放大，t=1秒的时候。执行的命令从CPU L1缓存中读取需要3秒，好比从地上捡起一张纸张；从L2缓存的时延14秒，好比从身后的书架上拿了一本书；从内存中取数据4分钟，好比去隔壁上买了杯咖啡；内网的时延29天，好比出差一个月；而从磁盘中读数据289天，好比去外地交流工作了一年。

从程序优化角度考虑，将经常使用的计算指令常驻在CPU的缓存中，这样的计算效率是最高的，其次是放在在内存中，需要等待240个周期。如果指令还要从磁盘中开始发起，对于CPU来说已经等待了2500万的处理周期了。这段等待的时间内，CPU是没有事情可以做，处于“停机”状态中。

如果计算压力又很小，一直没有计算指令发给CPU，这样CPU休息的时间就更长。这就是计算虚拟化可以实现的需求基础。当物理机的利用率很低，大量的CPU资源闲置，就催生了计算虚拟化。

计算虚拟化实际上就是一个调度员，根据一定的算法，将CPU计算资源调度给不同的指令发送器（虚拟内存）来执行。所谓的虚拟内存简单的说其实就是真实的内存，只是把内存分割成为一段一段的，并把每段分配后内存的物理地址映射为从0开始的虚拟物理地址，作为每个虚拟机的内存。将一个或若干个计算周期“捆绑”给不同的虚拟机内存来执行计算命令，就是虚拟机。

虚拟机的CPU是根据时间复用的方式进行“共享”的。每次CPU在分配给不同虚拟机使用前，都必须清空缓存，这样数据就不会被污染。所以，每次虚拟机获得了CPU计算资源执行周期，指令的发起点是内存，需要将内存的数据写入CPU的缓存中去，240t的时延是不可避免的。CPU每次在 “切换”虚拟机的时候“停顿”是不可避免的，这就是CPU“共享”后带来的额外损耗之一。但是这种损耗对于应用来说是微不足道的，因为应用的时延是毫秒级甚至是秒级的，而CPU共享带来的时延是纳秒级别的，相差千万倍以上。

物理服务器的硬盘是整个系统中很慢的设备。上文为了便于计算，将机械磁盘最小时延定义在10ms，其实一般机械磁盘读写平均时延在15ms以上。虚拟机本来就可以利用本地硬盘作为它的硬盘。但是如果物理机“挂了”，那硬盘也就停止工作了，虚拟机不能迁移了。虚拟机一般会通过网络（包括以太网或FC网络）来外接一个“独立”的存储设备。从表面上看网络带来的时延增加了1ms，但实际上存储的优化特性（如raid、缓存技术等），会使存储设备自己的时延降低。从整体上看利用“共享”存储是减少“时延”的，但还是一个级别的时延。

对于应用来说，不管是承载在物理机还是虚拟机带来的时延，都是同一个数量级，这种差别对于计算机系统来说，是完全没有区别。

  一个蛋糕一个人吃不完，大家分着吃而已。只要还是这点胃口，就不会是因为分着吃了，会吃不饱；分蛋糕的时候，刀上总会沾点奶油和蛋糕屑，这就是损耗。被分的蛋糕还是蛋糕，只不过变小了，被多个人吃了，不再浪费。虚拟机就是这个道理。为了多吃几种不同口味的蛋糕，也可以分着吃，这又是另外一种应用的表现，这个后续再详细阐述。

从架构上来看，物理机和虚拟机的架构完全是一样，虚拟化层只是对原来的硬件做了点“手脚”。CPU、网络等资源是按照“时分”外，其他的如内存、存储等都按照“空分”来实现。虚拟化层的“魔术”完全会让操作系统完全区分不出用的是物理机还是虚拟机，更何况是在操作系统之上的应用呢！

所以，虚拟机就是X86服务器！因为使用独立的存储，所以虚拟机在功能上又超越了X86服务器。

 

华山派气宗保守派主要集中在研发人员中和传统的IT人士，开发和使用IT的“上层建筑”，对底层不解不够，想当然了，以为虚拟机是个怪物。

华山派剑宗走火入魔派往往是“研究”人士，只看到了虚拟机的好，而忽视了其他，认为所有的应用都该用虚拟机。

我们要给气宗人士“洗脑”，但现阶段主要还是要提防“走火入魔”让这个世界全变成了虚拟机，那是另外一种浪费。记住上一篇的标题“X86一统江湖”而不是虚拟机一统江湖。因为虚拟机也是X86服务器的一种。

 

下一回合，主要讲虚拟机是个“浪费”的东西。

   

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