虛擬機器

虛擬機器（英語：virtual machine），在電腦科學中的體系結構裏，是指一種特殊的軟件，可以在電腦平台和終端用戶之間建立一種環境，而終端用戶則是基於虛擬機器這個軟件所建立的環境來操作其它軟件。虛擬機器（VM）是電腦系統的仿真器，通過軟件模擬具有完整硬件系統功能的、執行在一個完全隔離環境中的完整電腦系統，能提供物理電腦的功能。

有不同種類的虛擬機器，每種虛擬機器具有不同的功能：

• 系統虛擬機器（也稱為全虛擬化虛擬機器）可代替物理電腦。它提供了執行整個作業系統所需的功能。虛擬機器監視器（hypervisor）共用和管理硬件，從而允許有相互隔離但存在於同一物理機器上的多個環境。現代虛擬機器監視器使用虛擬化專用硬件（主要是主機CPU）來進行硬件輔助虛擬化。
• 程式虛擬機器 被設計用來在與平台無關的環境中執行電腦程式。

定義

虛擬機器最初由波佩克^{[註 1]}與戈德堡定義為有效的、獨立的真實機器的副本。當前包括跟任何真實機器無關的虛擬機器^[1]。

例子： 用Java編寫的程式可以通過對Java執行環境（JRE）軟件發命令獲得服務，取得期望的結果。透過提供這種服務，JRE起到了虛擬機器的作用。程式不必為特定的作業系統或硬件編寫。

虛擬機器根據它們的運用和與直接機器的相關性分為兩大類。「系統虛擬機器」提供一個可以執行完整作業系統的完整系統平台。「程式虛擬機器」則為執行單個電腦程式設計，這意味它支援單個行程。虛擬機器的一個本質特點是執行在虛擬機器上的軟件被局限在虛擬機器提供的資源里，也就是說它不能超出虛擬世界。「作業系統層虛擬化」不提供完整作業系統環境，將母機內核分給多個獨立空間的應用程式，不同於系統虛擬機需要運行完整作業系統，也不像程式虛擬機器運行特定程式語言。

系統虛擬機器

VirtualBox

例如：VirtualBox、VMware Workstation

程式虛擬機器

例如：Java虛擬機（JVM）

作業系統層虛擬化

例如：Docker

技術（硬件的模擬）

基於這種虛擬機器，用戶可以執行任何作業系統，比如可以在他們「個人的」虛擬電腦上執行兩個不同的作業系統，這也被稱為「訪客」（guests）。這樣的話，新版的實驗性作業系統就可以與舊版的較穩定版本一同在單獨的虛擬機器上執行。這個過程甚至可以重複（recursive）；IBM就在執行於舊版的虛擬機器上的虛擬機器上除錯它新版的虛擬機器作業系統——VM。

這個概念的一個早期用戶就是IBM大型電腦上的「VM/CMS time-sharing」產品，該產品使用的互動式計算單用戶作業系統——CMS（Conversational Monitor System），相對來說比較簡單，執行於VM上。通過這種方式，CMS編寫起來就比較簡單，就好像只有它一個在執行一樣，VM作業系統就在幕後提供多工以及資源管理服務。

當然，不是每個VM用戶都必須執行CMS；有些用戶選擇在一個或者多個虛擬機器上執行某種「OS/360」（或者「MVS」），來提供傳統上的批次處理任務。今天，IBM大型電腦還在使用VM，許多虛擬機器上執行的是Linux作業系統。

「VMware」、「TwoOStwo」、「SVISTA」軟件套件在現代電腦上都在處理類似截獲硬件訪問，模擬除了處理器以外的任何主機板上的器件的事情。

「plex86」屬於另外一種情況，它使用特定的打過修補程式的內核，只能執行於「Linux」下，而且只能在其之上執行它。因此，它不是仿真處理器，它利用「bochs」來仿真主機板裝置。

現代電腦使用的「x86處理器架構」其實並不能滿足Popek和Goldberg虛擬化要求。很明顯，這種架構缺少所有特權機器指令都會產生異常的模式，而這種模式可以做到單指令的虛擬化。這導致「VMware」或類似的「x86虛擬軟件」必須動態地重新編譯特權模式代碼。這種虛擬技術和執行於如「IBM System/370」、「Motorola MC68020」的原生態可虛擬架構上的「VM」相比，就會多出一些效能上的開銷。Intel及AMD已經為自己的處理器/晶片組產品加入硬件虛擬化功能，Intel有Intel VT-x（CPU虛擬化）及Intel VT-d（IO虛擬化），AMD有AMD SVM（CPU虛擬化）及IOMMU（IO虛擬化）。

虛擬機器列表

虛擬軟件的更多描述

下列的軟件產品可以用來虛擬硬件，故可用於各種作業系統之上。

• Adeos（英語：Adeos）是一種硬件抽象層。
• KVM是一種Linux kernel模組，可以修正QEMU program使之可使用硬件虛擬實境（hardware virtualization）。
• LLVM是一種新的動態編譯平台。

虛擬機器比較

下面的表格比較了一些虛擬機器軟件的基本資訊。請注意，這裏說的是系統虛擬機器。Java虛擬機器之類的程式虛擬機器不算在內。

名稱	作者	主CPU	目標CPU	主系統	目標系統	許可
CHARON	Stromasys	x86，x86-64	DEC PDP11，Alpha, VAX, SUN SPARC,HP3000	Windows，Linux, Solaris	Solaris/SunOS，Tru64， OpenVMS，Ultrix	私有
Bochs	Kevin Lawton	任何	x86，x86-64	Windows，Windows Mobile，Linux，IRIX， AIX，FreeBSD，OpenBSD，BeOS，Mac OS X，Android	DOS，Windows，xBSD，Linux	LGPL
DOSBox	Peter Veenstra和Sjoerd與社區幫助	任何	x86	Linux，Windows，Mac OS Classic，Mac OS X， BeOS，FreeBSD，OpenBSD，Solaris，QNX， IRIX，MorphOS，AmigaOS	DOS	GPL
DOSEMU	社區專案	x86，x86-64	x86	Linux	DOS	GPL v2
Hercules	Roger Bowler	任何	z（IBM大型計算機）	Linux，Mac OS X，Solaris，Windows	OS/360，OS/390，z/OS，z/Linux	QPL
Hyper-V	微軟	x86-64+硬件輔助虛擬（AMD-V或Intel VT）	x86-64，x86	Windows Server, Windows 8, Windows 8.1, Windows 10	Windows 2000，Windows 2003， Windows XP， Windows Vista，Linux Windows 7，Windows 8 Windows 8.1，Windows 10，Windows Server	私有（免費）
KVM	Red Hat	Intel/AMD處理器與x86虛擬化	x86/x86-64	Linux	Linux，Windows	GPL v2
Logical Domains（英語：Logical Domains）	太陽電腦系統公司	UltraSPARC T1，UltraSPARC T2	相容	Solaris	Solaris，Linux，FreeBSD	?
OpenVZ	社區專案，SWsoft支援	Intel x86，x86-64，IA-64，PowerPC64，SPARC/64	Intel x86，x86-64，IA-64，PowerPC64，SPARC/64	Linux	各種Linux發行版	GPL
Oracle VM	甲骨文公司	Intel x86，x86-64，Intel VT-x	Intel x86，x86-64，Intel VT-x	無（裸機安裝）	Microsoft Windows， Oracle Enterprise Linux， Red Hat Enterprise Linux	免費，商業
Parallels Desktop（曾用名：Parallels Workstation）	Parallels 公司	x86，x86-64，Intel VT-x	x86，x86-64	MacOS， Chrome OS	MacOS，Windows，Linux，FreeBSD， OS/2，eComStation， MS-DOS，Solaris，和其他大多數的作業系統	私有
PearPC	Sebastian Biallas	x86，x86-64，PowerPC	PowerPC	Windows，Linux，Mac OS X，NetBSD	Mac OS X，Darwin，Linux	GPL
QEMU	Fabrice Bellard（其他開發者幫助）	x86，x86-64，IA-64，PowerPC，Alpha，SPARC 32 and 64，ARM，S/390，M68k	x86，x86-64，ARM，SPARC 32 and 64，PowerPC，MIPS	Windows，Linux，Mac OS X，Solaris，FreeBSD，OpenBSD，BeOS	經常變化[1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）	GPL/LGPL
QEMU（kqemu模組）	Fabrice Bellard	Intel x86，x86-64	Intel x86，x86-64	Linux，FreeBSD，OpenBSD，Solaris，Windows	經常變化[2] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）	GPL/LGPL
QEMU（qvm86模組）	Paul Brook	x86	x86	Linux，NetBSD （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），Windows	經常變化	GPL
SimNow	AMD	x86-64	x86-64	Linux（64位元），Windows（64位元）	Linux，Windows（32位元和64位元）	AMD公司專有
Sun xVM Server（英語：Sun xVM Server）	太陽電腦系統公司	x86-64，SPARC	x86-64，SPARC	無：裸機執行	Windows XP & 2003 Server（僅x86-64），Linux，Solaris	GPL v3
Oracle VirtualBox	甲骨文公司	x86，x86-64，VT-x，AMD-V	x86，（x86-64僅在VirtualBox 2及x86-64主機上）	Windows，Linux， Mac OS X（Intel）， Solaris, FreeBSD	DOS，Windows，Linux， OS/2，FreeBSD，Solaris	GPL v2；完整版本中的額外特性是專有的（免費供個人與教育機構使用和評價）
User Mode Linux（英語：User Mode Linux）	Jeff Dike（英語：Jeff Dike）（其他開發者幫助）	x86，x86-64，PowerPC	x86，x86-64，PowerPC	Linux	Linux	GPL v2
Virtual Iron platform 3.1	Virtual Iron（英語：Virtual Iron）（已於2009年5月13日被甲骨文公司收購）	x86 VT-x，x86-64 AMD-V	x86，x86-64	無：裸機執行	Windows，Red Hat，SuSE	完整的產品是私有的[3] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）；幾個組成部分是GPL v2[4] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
Virtual PC 2007	Microsoft	x86，x86-64	x86	Windows Vista（商業版，企業版，旗艦版）， XP Pro，XP Tablet PC版	DOS，Windows，OS/2， Linux（Suse，Xubuntu）， OpenSolaris（Belenix）	私有（從2006年7月起免費）
Virtual Server（英語：Microsoft Virtual Server） 2005 R2	Microsoft	Intel x86，x86-64	Intel x86	Windows 2003，XP	Windows NT，2000，2003， Linux（Red Hat and SUSE）	私有（免費）
Virtuozzo（英語：Virtuozzo）	SWsoft	x86，IA-64，x86-64	x86，IA-64，x86-64	Linux & Windows	各種Linux發行版；Windows	私有
VMware ESXi	VMware	x86，x86-64	x86，x86-64	無：裸機安裝	Windows，Red Hat，SuSE，Ubuntu， Netware，Solaris，FreeBSD	私有
VMware Fusion	VMware	x86，Intel VT-x	x86，x86-64	Mac OS X（Intel）	Windows，Linux，Netware，Solaris	私有
VMware Server（不再維護）	VMware	x86，x86-64	x86，x86-64	Windows，Linux	DOS，Windows，Linux，FreeBSD， Netware，Solaris，虛擬裝置	私有（免費）
VMware Workstation Pro	VMware	x86，x86-64	x86，x86-64	Windows，Linux	DOS，Windows，Linux，FreeBSD， Netware，Solaris，Darwin，虛擬裝置	私有
VMware Workstation Player	VMware	x86，x86-64	x86，x86-64	Windows，Linux	DOS，Windows，Linux，FreeBSD， Netware，Solaris，Darwin，虛擬裝置	私有（免費）
Xen	英國劍橋大學，Intel，AMD	x86，x86-64	x86，x86-64	NetBSD，Linux，Solaris	Linux，Solaris， Windows XP & 2003 Server （需要3.0版和Vanderpool或Pacifica）， 九號計劃，FreeBSD	GPL
Proxmox VE	Proxmox （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）	x86-64		無：裸機安裝	Windows，Linux	免費、付費 都有
名稱	作者	主CPU	目標CPU	主系統	目標系統	許可

註釋

1. Gerald J. Popek，美國電腦科學家，曾提出虛擬機器的實現需求，通稱波佩克與戈德堡虛擬化需求。

參考文獻

1. Smith, Daniel E.; Nair, Ravi. The Architecture of Virtual Machines. Computer (IEEE Computer Society): 32–38. doi:10.1109/MC.2005.173 （英語）. 引文使用過時參數coauthors (幫助)

外部連結

• The Reincarnation of Virtual Machines, Article on ACM Queue by Mendel Rosenblum, Co-Founder, VMware（英文）
• Xen（英文）

參見

• 軟件主題
• 電腦科學主題

• QEMU
• VirtualBox
• VMware
• Xen
• Virtual PC
• Docker