Виртуализация
Альтернативой эмуляции ABI некоторой системы является запуск копии такой системы внутри основной ОС, с использованием программ, эмулирующих аппаратное обеспечение — виртуальных машин. На такой машине устанавливается операционная система и другое окружение, необходимое приложению, а само приложение запускается уже в родной для него среде.
Возможность запуска приложения на виртуальной машине зависит, в основном, от возможностей самой машины, нежели от разработчиков приложения. Тем не менее, программы, работающие с аппаратурой напрямую, могут встретить определенные трудности, поскольку им будет предоставлен доступ к устройствам виртуальной машины, а не непосредственно компьютера. Такая особенность ограничивает, например, возможность работы с графическими ускорителями изнутри виртуальных машин.
В общем случае использование виртуальной машины достаточно ресурсоемко — ведь помимо собственно приложения, ресурсы компьютера потребляются самой машиной, а также работающими внутри нее программами, необходимыми для функционирования приложения (например, операционной системой). Поэтому выигрыш в производительности достигается, как правило, только в случае запуска машин, эмулирующих достаточно маломощные платформы на более производительных системах.
Проблеме производительности виртуальных машин уделялось много внимания еще в 70е годы. Впервые требования, которым должна удовлетворять аппаратная архитектура машины, чтобы на ней можно было эффективно реализовать виртуализацию, были сформулированы Попеком и Голдбергом в 1974 году . Основное требование сводится к разделению всех инструкций по разным уровням привилегий; при этом все инструкции, способные изменить состояние ресурсов виртуальной машины, а также инструкции, поведение которых зависит от конфигурации этих ресурсов, должны быть привилегированными. Монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor, VMM — программная прослойка, занимающаяся распределением физических ресурсов между работающими виртуальными машинами), сам работая с наивысшими привилегиями, может перехватывать эти инструкции и эмулировать их поведение в соответствии со своими потребностями.
Все непривилегированные инструкции должны выполняться непосредственно на аппаратуре. Поскольку доля привилегированных инструкций, как правило, невелика, то и затраты на их эмуляцию будут малы. Несмотря на то, что работа Голдберга и Попека посвящена машинам третьего поколения (IBM 360, Honeywell 6000, DEC PDP-10), сформулированные в ней требования справедливы и сегодня. Однако, для большинства современных архитектур приведенное выше требование не выполняется — существуют непривилегированные инструкции, влияющие на конфигурацию ресурсов либо зависящие от нее. В частности, для «классической» архитектуры x86 к числу таких инструкций относятся такие популярные инструкции, как push/pop, call, jmp и другие (более подробно данная проблема рассмотрена в ). Безусловно, построение виртуальной машины возможно и при наличии таких инструкций. Существуют подходы по определению и перехвату необходимых инструкций в процессе работы программы; по такому принципу работают популярные продукты типа VirtualBox и VMWare , старающиеся напрямую выполнять все инструкции, для которых это возможно. Тем не менее, необходимость дополнительного отслеживания выполняемых инструкций может замедлить производительность программ внутри виртуальной машины по сравнению с «живой» системой. Отметим, что осознание разработчиками важности виртуализации привело к появлению расширений от Intel (Intel Virtualization Technology ) и AMD (AMD Virtualization ) для ее поддержки на платформах x86 и x86-64, которые позволяют либо вовсе избавится, либо существенно снизить число перехватываемых и эмулируемых инструкций. Альтернативным методом борьбы с «вредоносными» инструкциями является паравиртуализация, основанная на внесении изменений в гостевую операционную систему перед ее запуском в виртуальной среде; известным примером машин, работающих по принципу паравиртуализации, является Xen . Однако в реальной жизни такая модификация не всегда доступна конечным пользователям. Существуют и гибридные подходы — например, проект vBlades для Itanium . Стоит обратить внимание и на экономическую составляющую использования виртуальной машины конечным пользователям — в ряде случаев стоимость операционной системы и компонентов окружения, которые необходимо установить, может быть довольна значительна.Поэтому достаточно редки ситуации, когда производители сами советуют использовать виртуальные машины для запуска своих программ в системах, не поддерживаемых напрямую. Примерами исключений являются различные специфические системы, безопасное функционирование которых требует запуска в изолированной среде. Например, обучающая система Linuxgym распространяет клиентскую часть в виде образа VMware, содержащего Ubuntu Linux с предустановленными необходимыми компонентами.
