[发明专利]一种虚拟机I/O性能的优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟机I/O性能的优化方法。

背景技术

KVM虚拟机(Kernel-basedVirtualMachine)使用软件模拟的方式实现I/O设备的虚拟化，其实现方式是由内核中的KVM模块截获客户操作系统中的I/O请求，交给运行在宿主操作系统(HostOS)上的QEMU，QEMU将这些请求转换为对宿主操作系统的系统调用，通过宿主操作系统的设备驱动访问物理硬件，实现对I/O设备的虚拟化。该方法依赖QEMU对设备的模拟，因此实现简洁，但是由于I/O处理流程中涉及多个环境，切换较多，其I/O性能很不理想。虽然KVM较新的版本中已经将一些关键设备的虚拟化进行了优化，但是主要的设备，例如磁盘和网卡虚拟化的性能开销仍旧较大。

目前，运行在虚拟机上的客户操作系统(GuestOS)是面向物理机器开发的普通操作系统，其中存在不适应虚拟化环境的因素，影响虚拟机的I/O性能。

根据现有的分析，这些不适应的因素可以分为3类：

(1)在虚拟化环境下一些引起短时间内频繁发生虚拟机陷入的操作。优化时，应该尽量降低这类操作发生的频率，或者可以通过批量处理进行优化。

(2)冗余的操作。这些操作在虚拟化环境下不发生实际的作用；或者有些操作在客户操作系统和VMM中重复实现。冗余的操作通常可以直接去除。

(3)可以由客户操作系统实现，也可以由VMM或者硬件实现的功能。通常情况下，越底层执行效率越高。因此，可以由VMM或硬件完成的功能通常都可以交由它们完成，尽量减少客户操作系统的工作，提高整体性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对KVM虚拟化环境的特征，本发明通过修改客户操作系统的源码或其配置，达到降低环境切换代价、精简客户操作系统的目的，从而提高KVM虚拟机的I/O性能。针对第3类问题的优化已经有了较多的研究成果，本发明主要针对前两类客户操作系统的问题进行优化。

本发明所采用的技术方案为：

一种虚拟机I/O性能的优化方法，所述优化方法通过合并客户操作系统中连续的I/O指令，降低虚拟机的时钟中断频率，从而降低环境切换的开销，并通过消除客户操作系统中的冗余操作，使虚拟机只执行必要的操作，从而提高系统的性能。

客户操作系统的磁盘驱动中，存在一些代码段，包含了连续的I/O指令。每当执行到一条I/O指令，都会引起虚拟机陷入，使得这一段代码连续陷入。因此可以将这些指令合并成一个操作，一次陷入KVM进行处理。

合并方法可以采用静态合并的方法，包括静态分析连续陷入的代码、静态合并指令，将一组I/O指令替换成一个vmcall调用(vmcall类似于操作系统中的系统调用，客户操作系统中调用vmcall之后，将切换到VMM进行处理)，一次主动陷入KVM，替换方法是将每条I/O指令的信息，包括in/out、端口、值，依次放入一个数组，该数组的地址和长度作为参数由vmcall传递给KVM处理。KVM反过来从数组中将I/O操作的参数依次取出，逐条进行模拟。

合并方法也可以采用动态的半虚拟化方法，也就是进行动态的代码段替换，包括在运行时进行动态监控，找到热点的代码段，动态合并指令，生成新的代码片段，然后通过加入跳转指令，或者通过替换包含热点代码的整个函数，实现代码段替换；或者，运行时，当一个I/O操作发生陷入，在KVM中预取客户操作系统的后续操作，当发现多个可以合并的I/O时，则一次模拟执行完毕，再返回客户操作系统。

所述优化方法可以通过降低虚拟机的时钟中断频率，从而降低环境切换的开销。

时钟中断是另一个频繁引起虚拟机陷入的原因，每个时钟中断到来时，都会引起虚拟机陷入VMM。对于非实时应用，可以直接修改客户操作系统的配置，通过降低时钟频率，减少虚拟机陷入的频率。