[发明专利]一种支持软实时应用的虚拟CPU调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机科学中的在多核硬件平台下的虚拟化技术领域，特别是虚拟机软实时 应用的支持方法。

背景技术

虚拟化是一种计算机系统抽象技术，通过物理平台上的虚拟机逻辑层管理计算机资源， 并向运行在其上的客户层提供虚拟的资源。客户机操作系统可以通过标准接口访问资源，但 是接口却并不直接与物理资源通信；而是由虚拟化层进行真实资源的管理，使有限数量的资 源能够在多个客机户之间复用。直接运行在硬件平台上的虚拟化层通常被称作虚拟机监视器 (Virtual Machine Monitor，VMM或hypervisor)，它负责维护抽象，同时确保资源复用的正确 性；客户层主体是一个完全的操作系统，称作客户机操作系统。虚拟机是真实机器和虚拟化 软件(Virtualization Software)的结合。“虚拟”包括两个过程：从虚拟资源向真实资源的映 射；把虚拟机的指令和系统调用所要求的功能通过实际的指令和系统调用实现。因此，虚拟 机监视器可以促进资源的高效利用，而且维护客户机操作系统的隔离性，同时为系统设计提 供了极大的灵活性和机动性。多核硬件平台技术的广泛使用为虚拟化技术的发展提供了机遇 和挑战，具有代表性的是Intel的VT和AMD的SVM技术。正是基于这些原因，虚拟化技 术越来越突出显著，应用范围愈加广泛。目前，虚拟化技术被使用在企业级系统、服务提供 商、家庭桌面系统、移动设备和生产系统等等方面。当前主流的虚拟化技术产品包括VMware 以及Xen、KVM等，它们在服务器整合、资源优化、能量控制等方面具有一定贡献，并且逐 步应用在了云计算和高性能计算等领域。同时虚拟化技术还在虚拟集群领域也有着广阔的利 用前景。

软实时系统是指系统在重负荷情况下，允许发生错过时限的情况而不会造成太大危害。 它对响应时间有一定的要求，但不是十分的严格，比如电视会议系统和VOIP服务等交互式 流媒体服务。目前，软实时应用服务也存在部署在多核虚拟化平台上的需求，但是，由于虚 拟化技术在软实时应用的支持方面效果还很不理想，仍需要进一步研究可行的方案。以虚拟 化技术Xen为例，它的CPU调度和I/O调度算法对运行其上的所有虚拟机都注重和强调了公 平和一致性，不考虑虚拟机和虚拟机内所运行任务的具体时间要求，它自始至终对所有虚拟 机及其虚拟CPU(Virtual CPU，VCPU)都同等对待，按照基本的分时方法依次轮流执行不同 的VCPU。典型的软实时应用程序与普通的I/O密集型和CPU密集型程序相比，有一定的时 间要求，具有这样的需求特点：I/O处理要及时，CPU计算要同步。软实时应用虽然并不需 要过多的CPU计算资源，但是需要频繁的进行数据传输，与用户进行交互。程序响应时间的 容忍性对于用户切身感受是至关重要的，只有在短时间完成与用户有关的I/O操作，及时的 分配CPU完成数据处理，使CPU的数据计算和I/O操作协调同步，才能达到理想的实时效 果。

发明内容

本发明设计了一种多核虚拟化环境支持软实时性应用的VCPU调度方法，实现了虚拟机 管理器对软实时任务的有效支持，通过对虚拟机所执行任务的时间和特点的感知判断其实时 性，并且对具有实时性的VCPU队列按照一定的策略进行调度，缩短实时性VCPU的中断时 间和任务响应时间，从而达到支持软实时应用的目的。

具体包括：

1.虚拟机实时性引擎

本发明在虚拟机监视器中设置一个虚拟机实时性引擎，用于反映虚拟机的实时特征。虚 拟机实时性引擎包括实时性自动感知分析和实时性手工配置两个子模块。其中，实时性自动 感知分析是对虚拟机实时性的需求的自动感知和分析，它周期性地对前一段时间各个虚拟机 的运行情况和数据进行统计和计算，依据一定的条件判断出每个虚拟机所应具有的实时性， 然后对实时性引擎进行配置；实时性手工配置子模块由系统平台管理员通过虚拟机监视器的 管理接口等途径配置特定虚拟机的实时性要求，再通过虚拟机监视器完成对虚拟机实时性引 擎的最终配置。虚拟机实时性引擎还维护有一张虚拟机实时性特征表和一个特征表更新标记， 虚拟机实时性特征表中的项标注了对应虚拟机的实时性特征，特征表更新标记只有在实时性 特征表发生变化时设定。

2.VCPU运行队列实时性调度