云计算虚拟化三部曲之一：CPU和内存虚拟化

作者：IT一指禅 2023-03-30 07:39:57

云计算

虚拟化 我们知道，虚拟化技术是云计算的核心技术。通过虚拟化，可以切割计算、存储和网络资源的颗粒度。虚拟机可根据需要从池子里获取和释放各类型资源。

大家好，我是IT售前工程师Bernie.

我们知道，虚拟化技术是云计算的核心技术。通过虚拟化，可以切割计算、存储和网络资源的颗粒度。虚拟机可根据需要从池子里获取和释放各类型资源。

也就是说：当一个虚拟机繁忙的时候可以从池子里申请资源；当它闲置的时候，再把这部分资源让出来，让其他的这个虚拟机获取。

Bernie将用3篇文章详细论述计算资源虚拟化、存储资源虚拟化和网络资源虚拟化的底层原理。本文是第一篇，讨论计算资源的虚拟化，欢迎阅读。

计算资源主要是CPU和内存，虚拟化也就是这两种资源的虚拟化。

CPU虚拟化

我们以一台Intel6248R服务器为例，进行深度的剖析。服务器的CPU配置为：24核心、48线程，主频是3GHz，并且支持超线程。

那么一颗CPU的算力是多少呢？

未开启超线程时

一个CPU的算力 = 主频 * CPU核心数；

所以一颗6248R的CPU算力是 = 3*24 = 72GHz。

开启超线程时

超线程也是一个十分重要的概念，后续可以专门写一篇文章说明，这里简单说一下：超线程是将一颗物理CPU通过复用的方式变为2颗逻辑CPU。

所以，如果开启超线程的话，一颗物理6248R的CPU算力是

3*24*2=144GHz

正常情况下一台服务器是不会只配置一颗CPU的，至少也是2颗，我们就按照2颗计算。那么，在开启超线程的情况下，一台服务器的总算力就是288GHz。

开启超线程后，对于单个CPU来说，可以提供出来的计算资源为

如果我们规定：一个最小集群中可以部署了4台同样的服务器，那么这个集群的总算力就是288*4=1152GHz

接下来，最重要的一步要来了！

虚拟化之后，我们会通过云管平台创建一些虚拟机VM，这些虚拟机是如何分配上面说的这么多CPU算力的呢？

实际上，我们是给创建的虚拟机划分线程的形式分配算力的。比如下图，创建两个虚拟机：VM1和VM2，然后给VM1划分3个线程，给VM2划分4个线程。这就意味着VM1具备了9GHz的算力，VM2具备了12GHz的算力。

虚拟机VM中的vCPU即为一个线程。所以，对于一台服务器来说，在同一时刻所有VM中vCPU的总数不能高于总线程数。比如例子中的vCPU个数不能大于96.

这里有一个问题：在上述例子中，我们假设总共创建了10个VM，把96个线程全部瓜分完了。我们还能继续创建虚拟机吗？

答案是：

YES!

原因是：在云计算中存在资源超分的概念。

资源超分

比如下面是7个线程，我们创建了3个虚拟机，每台虚拟机分配了3个线程。如果在同一时刻，3个VM同时占满3个线程显然是不合适的，也做不到。

但是，云计算的超分状态完美地解决了资源过饱和的问题。在超分模式下，vCPU可以通过时间分片轮流使用线程的方式进行计算。

不过超分模式也并不是十分完美的，它有可能降低vCPU实际算力。比如：原本一个线程是3GHz，即每秒钟计算30亿次，有可能在时间片轮流使用的情况下，平均1秒钟它能够使用到的时间只有0.5s，也就是说：每秒只能计算15亿次。

所以，超分模式下vCPU的最高算力是主频，最低可能是总算力/vCPU个数。

我们在实际的虚拟化中，一般是会使用到超分的，这也是云计算的边际效应。否则，云计算的灵魂也就不复存在了。不过，超分比也不是越高越好，太高了会影响VM的实际算力。

CPU回收

当虚拟机销毁或者暂时不需要这么多计算资源时，就涉及到CPU的回收，以实现物理资源的最大化利用。因为vCPU虚拟化是通过分时复用实现的，所以只要VM结束就会自动将CPU释放掉，其他的虚拟机就可以申请使用空闲区的CPU算力了。

内存虚拟化

在一个资源池中，总的内存资源是每台服务器的内存的累加。内存的虚拟化过程比CPU简单一些，我们重点关注其申请和回收两个过程即可。

内存申请

每个虚拟机VM可以向资源池申请内存，比如某个虚拟机VM1在创建时设置内存参数为4G，有可能开机的时候给它1G内存，在程序运行较多时再给它2G内存，但总数不超过4G。

内存回收

由于VM存在超分的情况，所以不是说虚拟机VM销毁后，它占用的内存立即回收。因为这个内存有可能也在被其他VM使用ing。底层操作系统平台会周期性地扫描判断内存使用情况，来决定回收与否。

比如在v-Sphere虚拟化方案中，当服务器：

• 6%=<可用内存，hostOS使用“TPS”方式回收；
• 4%=<可用内存可用内存<6%，使用“TPS”+“气球”回收；
• 2%=<可用内存可用内存<4%，使用“TPS”+“气球”+“压缩”+“交换文件”加速内存回收;
• 可用内存<2%，使用“TPS”+”气球“压缩”+“交换文件”加速内存回收，同时禁止所有VM申请更多内存。

总结

以上是云计算中CPU和内存虚拟化的全部分享，篇幅有限，后续将发文进一步探讨存储虚拟化和网络虚拟化的相关内容。

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