[发明专利]并行多核虚拟机的原子指令模拟方法及虚拟机装置

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟机技术领域，特别涉及一种并行多核虚拟机的原子指令模拟方法及虚拟机装置。

背景技术

虚拟机(Virtual Machine)是对一种硬件设备进行模拟仿真的软件系统。近年来随着多核CPU的普及，虚拟机也开始增加对于多核CPU的模拟功能。早期主要采用串行的方法模拟多核CUP的运行，即虚拟机是单进程，在微观上以分时间片的方式轮询调度多个CPU，在宏观上模拟多个CPU的并行行为。在开源虚拟机系统(例如Bochs、QEMU、Simple-scalar等)中，均以串行方法模拟执行目标系统中多个CPU。这种方式实现简单，但是所有被模拟的CPU只能共享使用本地的一个CPU资源，每个模拟CPU可利用的CPU资源与总的模拟个数成反比，扩展性差。采用以这种结构实现的多核虚拟机一般难以支持几十个以上的模拟CPU。

并行多核虚拟机有效克服了串行结构的局限性。在并行多核虚拟机中，创建多个线程，每个线程分别模拟一个目标CPU。这种方式能够充分利用本地CPU资源。在本地物理CPU个数大于被模拟的CPU个数时，能够得到接近线性的加速比。目前采用这种结构的虚拟机能够以较好的效率模拟几百甚至上千个CPU。

并行多核虚拟机需要解决的一个问题是原子访存指令的模拟。原子访存指令是在硬件上实现互斥访存的支持机制，用于为多线程之间的自旋锁、互斥量等同步原语提供最底层的支持。例如，在X86指令中提供了lock指令缀，CPU保证带有lock前缀的指令以原子方式实现对内存的一次读写操作。在串行结构的多核虚拟机中无需模拟lock的语义，而在并行多核虚拟机中必须保证模拟lock的原子语义，目前主要有三种手段：

1、加锁：即在访存动作之前加锁，访存动作之后解锁。这种手段要求所有访存动作都要包含加锁行为，使得每次访存模拟代价较高，整体效率较低。

2、采用本地CPU支持的原子访存指令：例如X86的lock，MIPS的11/sc，等等。这种方式只能针对特定的硬件平台，可移植性受到限制。

3、以数学算法模拟原子指令：例如并行研究领域中的CASN等算法。该算法对于使用环境有各方面限制，例如需要提供额外存储空间保存描述符(descriptor)、必须使用特殊函数读写内存等，通用性受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可移植性强、执行效率高的原子访存指令的模拟方法和装置。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种并行多核虚拟机的原子指令模拟方法，该虚拟机根据目标CPU的内核个数，创建与CPU内核个数相等的多个CPU线程。该方法步骤包括：所述多个CPU线程中的第一CPU线程向其他CPU线程发送请求等待信号；接收到所述请求等待的其它CPU线程在原执行地址暂停，并返回确认信号；第一CPU线程接收到所有其他CPU线程的确认信号后执行原子访存指令；向处于原执行地址暂停的CPU线程发送撤消等待信号；接收到所述撤消等待信号的CPU线程由原执行地址继续执行。

另一方面，本发明提供了一种虚拟机装置，包括线程创建模块、线程调度模块和执行模块。线程创建模块用于根据目标CPU的内核个数，创建与所述CPU内核个数相等的多个CPU线程，所述多个CPU线程包括第一CPU线程和其他CPU线程；线程调度模块用于所述多个CPU线程间的信息交互，其中，所述第一CPU线程向其他CPU线程发送请求等待信号，接收到所述请求等待信号的其它CPU线程在原执行地址暂停，并返回确认信号，所述第一CPU线程在执行原子访存指令后，向处于原执行地址暂停的CPU线程发送撤消等待信号；执行模块用于当所述第一CPU线程接收到所有其他CPU线程的确认信号后执行原子访存指令。

本发明具有下列优点：

1.方法通用性好，移植性高。本发明只使用本地操作系统支持的标准线程间通讯机制，不依赖于特定目标指令集，不依赖于特定的平台，对于访存宽度、位置不做任何限制。能够克服加锁、本地原子指令、CASN算法等方式的不足。

2.执行效率高。本发明的开销主要体现在线程之间发送消息的代价，据实验测试效率较好，平均每次原子访存模拟代价低于毫秒级。

附图说明

图1是本发明实施例一种并行多核虚拟机的原子指令模拟方法流程图；

图2是本发明实施例一种并行多核虚拟机的原子指令模拟方法示意图；

图3是本发明实施例一种虚拟机装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。