前情提要。現在想必各位科科對於處理器虛擬化的看法不外乎「讓作業系統變成應用程式，虛擬機管理者取代作業系統的角色，不就好了，反正還有例外處理機制可以當最後一道防線嘛」，但感謝x86指令集先天不足後天失調的發展史，使其特別難搞，因為有些使用者模式的x86指令，也是有機會「撈過界」對底層上下其手。
我們就來瞧瞧問世於1974年，用來驗證計算機架構能否有效虛擬化的方式「波佩克與戈德堡虛擬化需求」(Popek and Goldberg virtualization requirements) 是如何定義的。
- 效率(Efficiency)：機器指令中不會更動系統狀態者，應直接使用底層硬體執行，不受干預。
- 資源控制(Resource Control)：VMM(Virtual Machine Manager)完全控制虛擬資源，當作業系統嘗試更動底層系統狀態時，VMM將被主動告知，阻止該破壞系統穩定度的行為，再更換成不會造成危險的等效指令碼。
- 等價性(Equivalence)：執行在VMM上的作業系統，其行為模式完全等同執行在原生硬體上。
只要當一切會更動底層系統狀態的關鍵性(Sensitive)指令都應納入系統特權(Privileged)指令的範圍，當執行在虛擬機之上的作業系統之任何「危險行為」，都會觸動處理器的例外處理(Exception)機制與VMM的設陷(Trap)，即可攔截並更替為安全的指令碼。
很不幸的，x86指令集中18個使用者模式指令與多數I/O指令並不符合上述標準。最有名的案例是POPF指令更動EFLAGS的Interupt Enable欄位，在使用者模式不會啟動，但是也不會造成例外。無論任其更動系統底層狀態，或著處理器不會執行，都不會引起例外。這些指令在單機作業系統上並不會造成問題，但卻是虛擬化的大麻煩。換言之，必須先抓出來這些「麻煩製造者」，再採用軟體模擬或二進位代碼轉換(Binary Translation)等手段，取而代之，才可確保系統的強固性。
所以在Intel VT-X「Vanderpool」和AMD-V「Pacifica」之類的硬體輔助(Hardware Assisted)虛擬化技術出現前，要實現有效的x86處理器虛擬化，只有2條路：
- 全虛擬化(Full Virtualization)：像VMware早期的虛擬機器監視器(VM Monitor)會監視用戶端作業系統的指令碼，事先找出這些有問題的指令，再使用二進位代碼機制(Binary Translation)轉成安全的指令碼，但這會降低效能表現。
- 半虛擬化(Paravirtualization)：修改作業系統程式碼、替換製造問題的指令，讓所有指令都可在處理器上原生執行。但不同的作業系統，需配合不同的虛擬機軟體，做出不同程度的修改，導致犧牲相容性，而像死都不開放原始碼微軟Windows就根本沒機會了。
說穿了，硬體輔助虛擬化技術作的事情是「亡羊補牢」，新增特權層級，多一道「攔截網」，擋下這些不乖的指令後，再讓虛擬機管理者採用類似作業系統設陷機制啟動系統呼叫的方式，確保作為應用程式的作業系統不會搞垮大家。
前面有提到提昇切換速度的「執行資料結構」(x86的TSS)、以及強化應用程式與作業系統互動的「標準化系統呼叫介面」，Intel VT-x和AMD-V分別定義了VMCS(VM Control Structure)和VMCB(VM Control Block)資料結構，作為x86虛擬化技術的TSS。每當處理器切換、重啟、跳出作業系統前，處理器就先載入並更新其資料。因享有原生硬體加速，並可透過新增的虛擬機管理指令，反向讓作業系統意識到「原來腳底下還有土地公」，強化作業系統和虛擬機器管理者的互動，減少不必要的切換，大幅提昇執行效率。
不過Intel AMD各搞各的結果就是虛擬機管理者開發商會很辛苦，而且實現「不停機動態轉移」變成不可能的任務。
花了好大的功夫繞了好大的一圈，總算讓x86處理器可以有效率的被虛擬化，但這些年來一路疊床架屋的x86虛擬化技術哪有這麼簡單，請各位科科多多期待本專欄，科科科科科。
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