云計算虛擬化三部曲之一：CPU和內(nèi)存虛擬化

作者：IT一指禪 2023-03-30 07:39:57

云計算

虛擬化 我們知道，虛擬化技術(shù)是云計算的核心技術(shù)。通過虛擬化，可以切割計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的顆粒度。虛擬機可根據(jù)需要從池子里獲取和釋放各類型資源。

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大家好，我是IT售前工程師Bernie.

我們知道，虛擬化技術(shù)是云計算的核心技術(shù)。通過虛擬化，可以切割計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的顆粒度。虛擬機可根據(jù)需要從池子里獲取和釋放各類型資源。

也就是說：當(dāng)一個虛擬機繁忙的時候可以從池子里申請資源；當(dāng)它閑置的時候，再把這部分資源讓出來，讓其他的這個虛擬機獲取。

Bernie將用3篇文章詳細論述計算資源虛擬化、存儲資源虛擬化和網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的底層原理。本文是第一篇，討論計算資源的虛擬化，歡迎閱讀。

計算資源主要是CPU和內(nèi)存，虛擬化也就是這兩種資源的虛擬化。

CPU虛擬化

我們以一臺Intel6248R服務(wù)器為例，進行深度的剖析。服務(wù)器的CPU配置為：24核心、48線程，主頻是3GHz，并且支持超線程。

那么一顆CPU的算力是多少呢？

未開啟超線程時

一個CPU的算力 = 主頻 * CPU核心數(shù)；

所以一顆6248R的CPU算力是 = 3*24 = 72GHz。

開啟超線程時

超線程也是一個十分重要的概念，后續(xù)可以專門寫一篇文章說明，這里簡單說一下：超線程是將一顆物理CPU通過復(fù)用的方式變?yōu)?顆邏輯CPU。

所以，如果開啟超線程的話，一顆物理6248R的CPU算力是

3*24*2=144GHz

正常情況下一臺服務(wù)器是不會只配置一顆CPU的，至少也是2顆，我們就按照2顆計算。那么，在開啟超線程的情況下，一臺服務(wù)器的總算力就是288GHz。

開啟超線程后，對于單個CPU來說，可以提供出來的計算資源為

如果我們規(guī)定：一個最小集群中可以部署了4臺同樣的服務(wù)器，那么這個集群的總算力就是288*4=1152GHz

接下來，最重要的一步要來了！

虛擬化之后，我們會通過云管平臺創(chuàng)建一些虛擬機VM，這些虛擬機是如何分配上面說的這么多CPU算力的呢？

實際上，我們是給創(chuàng)建的虛擬機劃分線程的形式分配算力的。比如下圖，創(chuàng)建兩個虛擬機：VM1和VM2，然后給VM1劃分3個線程，給VM2劃分4個線程。這就意味著VM1具備了9GHz的算力，VM2具備了12GHz的算力。

虛擬機VM中的vCPU即為一個線程。所以，對于一臺服務(wù)器來說，在同一時刻所有VM中vCPU的總數(shù)不能高于總線程數(shù)。比如例子中的vCPU個數(shù)不能大于96.

這里有一個問題：在上述例子中，我們假設(shè)總共創(chuàng)建了10個VM，把96個線程全部瓜分完了。我們還能繼續(xù)創(chuàng)建虛擬機嗎？

答案是：

YES!

原因是：在云計算中存在資源超分的概念。

資源超分

比如下面是7個線程，我們創(chuàng)建了3個虛擬機，每臺虛擬機分配了3個線程。如果在同一時刻，3個VM同時占滿3個線程顯然是不合適的，也做不到。

但是，云計算的超分狀態(tài)完美地解決了資源過飽和的問題。在超分模式下，vCPU可以通過時間分片輪流使用線程的方式進行計算。

不過超分模式也并不是十分完美的，它有可能降低vCPU實際算力。比如：原本一個線程是3GHz，即每秒鐘計算30億次，有可能在時間片輪流使用的情況下，平均1秒鐘它能夠使用到的時間只有0.5s，也就是說：每秒只能計算15億次。

所以，超分模式下vCPU的最高算力是主頻，最低可能是總算力/vCPU個數(shù)。

我們在實際的虛擬化中，一般是會使用到超分的，這也是云計算的邊際效應(yīng)。否則，云計算的靈魂也就不復(fù)存在了。不過，超分比也不是越高越好，太高了會影響VM的實際算力。

CPU回收

當(dāng)虛擬機銷毀或者暫時不需要這么多計算資源時，就涉及到CPU的回收，以實現(xiàn)物理資源的最大化利用。因為vCPU虛擬化是通過分時復(fù)用實現(xiàn)的，所以只要VM結(jié)束就會自動將CPU釋放掉，其他的虛擬機就可以申請使用空閑區(qū)的CPU算力了。

內(nèi)存虛擬化

在一個資源池中，總的內(nèi)存資源是每臺服務(wù)器的內(nèi)存的累加。內(nèi)存的虛擬化過程比CPU簡單一些，我們重點關(guān)注其申請和回收兩個過程即可。

內(nèi)存申請

每個虛擬機VM可以向資源池申請內(nèi)存，比如某個虛擬機VM1在創(chuàng)建時設(shè)置內(nèi)存參數(shù)為4G，有可能開機的時候給它1G內(nèi)存，在程序運行較多時再給它2G內(nèi)存，但總數(shù)不超過4G。

內(nèi)存回收

由于VM存在超分的情況，所以不是說虛擬機VM銷毀后，它占用的內(nèi)存立即回收。因為這個內(nèi)存有可能也在被其他VM使用ing。底層操作系統(tǒng)平臺會周期性地掃描判斷內(nèi)存使用情況，來決定回收與否。

比如在v-Sphere虛擬化方案中，當(dāng)服務(wù)器：

• 6%=<可用內(nèi)存，hostOS使用“TPS”方式回收；
• 4%=<可用內(nèi)存可用內(nèi)存<6%，使用“TPS”+“氣球”回收；
• 2%=<可用內(nèi)存可用內(nèi)存<4%，使用“TPS”+“氣球”+“壓縮”+“交換文件”加速內(nèi)存回收;
• 可用內(nèi)存<2%，使用“TPS”+"氣球“壓縮”+“交換文件”加速內(nèi)存回收，同時禁止所有VM申請更多內(nèi)存。

總結(jié)

以上是云計算中CPU和內(nèi)存虛擬化的全部分享，篇幅有限，后續(xù)將發(fā)文進一步探討存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的相關(guān)內(nèi)容。

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新聞名稱：云計算虛擬化三部曲之一：CPU和內(nèi)存虛擬化
標題來源：http://m.fisionsoft.com.cn/article/dpocspi.html