虛擬機是個用軟件實現(xiàn)的CPU，而CPU的權(quán)限控制分為系統(tǒng)級和用戶級。

例如，Linux內(nèi)核就運行在CPU的最高優(yōu)先級（ring0），而普通應(yīng)用程序則運行在最低優(yōu)先級（ring3）。

雖然英特爾把CPU的權(quán)限分了4個優(yōu)先級，但實際只用到了2個。

對于虛擬機來說，要想模擬操作系統(tǒng)的運行，也必須進行權(quán)限分級。

1，CPU的權(quán)限分級，主要是指內(nèi)存的訪問權(quán)限。

intel的CPU分為實模式和保護模式，保護模式最主要的作用就是保護內(nèi)存的訪問權(quán)限。

內(nèi)核代碼可以訪問所有的內(nèi)存，但是用戶代碼只能訪問進程的用戶空間（內(nèi)存）。

用戶空間的內(nèi)存是通過進程的頁表來管理的，而進程的頁表只能通過系統(tǒng)內(nèi)核來修改。

當使用malloc()分配內(nèi)存的時候，實際上并不是分配一塊物理內(nèi)存，而只是把用戶空間的某一個內(nèi)存范圍設(shè)置為可用。

只有當進程代碼真去讀寫這個內(nèi)存范圍的時候，操作系統(tǒng)才會給它分配物理內(nèi)存，即Linux的寫時復制和需求加載機制。

所以虛擬機要想“模擬”操作系統(tǒng)的運行，首先要模擬CPU的保護模式。

2，CPU保護模式的實現(xiàn)，靠的就是幾個控制寄存器。

對于intel CPU來說，跟保護模式下相關(guān)的寄存器是cr0, cr1, cr2, cr3。

其中cr0用于控制分段和分頁機制，一旦開啟內(nèi)存的分段機制就進入了保護模式。

一旦開啟了內(nèi)存的分頁機制，操作系統(tǒng)可以支持的進程個數(shù)就是無限的了。

開啟了分頁之后，操作系統(tǒng)就可以4096字節(jié)的一個頁為單位，為進程分配“必需的”內(nèi)存空間，非常的靈活。

什么時候必需？

當然是寫時復制和需求加載的時候必需，所以進程剛創(chuàng)建時除了它的task_struct結(jié)構(gòu)之外，只需要給它分配4096字節(jié)做為頁目錄即可，其他的都可以跟父進程共享。

對于多進程多任務(wù)的操作系統(tǒng)來說，內(nèi)存的分頁機制是必需的，因為分段機制太死板了。

cr3就是頁目錄基地址寄存器，哪個進程運行時它就指向哪個進程的頁表，內(nèi)核運行時它就指向內(nèi)核頁表。

cr2在缺頁中斷時用于保存進程用戶空間的內(nèi)存地址。在哪個位置出錯了，就保存哪個地址，然后操作系統(tǒng)就會為那個位置（所在的內(nèi)存頁）分配內(nèi)存。

獲取一個位置addr所在的內(nèi)存頁非常的簡單，把它的最低12位清零就行，addr & ~0xfff

3，虛擬機要想模擬操作系統(tǒng)的運行，必須自己實現(xiàn)MMU的功能。

操作系統(tǒng)的運行，首先要依賴這幾個控制寄存器。

這幾個控制寄存器的主要作用，其實就是內(nèi)存管理。

在真實的硬件上，內(nèi)存管理是通過MMU實現(xiàn)的。MMU可以根據(jù)進程的頁表實現(xiàn)用戶空間的內(nèi)存地址（線性地址）到物理內(nèi)存的映射。

如果在虛擬機上，這部分功能就只能通過代碼去實現(xiàn)了。

虛擬機要實現(xiàn)三層內(nèi)存地址的映射：虛擬進程的用戶內(nèi)存地址 --> 虛擬物理內(nèi)存的物理地址 --> 虛擬機所在的真實進程的用戶內(nèi)存地址。

OS虛擬機的內(nèi)存映射過程

所以像qemu這種能夠直接運行Linux系統(tǒng)的大型虛擬機，是必須要實現(xiàn)CPU的控制寄存器和系統(tǒng)級指令的。

系統(tǒng)級指令，指的是只能在內(nèi)核代碼（或引導扇區(qū)）里運行的指令，例如：

pushfl 把標志寄存器壓棧，

mov cr2, eax 把導致缺頁的內(nèi)存地址讀到eax寄存器，

mov ax, cs 加載段選擇符，等等。

4，腳本語言的虛擬機

腳本語言因為是運行在用戶進程中，運行的代碼也是用戶態(tài)代碼，所以實現(xiàn)起來比qemu這類虛擬機要簡單的多。

它只需要解釋一些常用指令就行了，不需要處理系統(tǒng)級的指令，也不需要管理復雜的內(nèi)存映射。

它只需要把編譯之后的字節(jié)碼文件根據(jù)程序頭的信息加載起來，并且處理動態(tài)庫函數(shù)的調(diào)用（動態(tài)鏈接），就可以實現(xiàn)腳本語言的運行了。

最主要的是，腳本語言的字節(jié)碼和編譯器都是腳本語言的作者設(shè)計的，作者可以實現(xiàn)字節(jié)碼和虛擬機的精確匹配，而不需要去實現(xiàn)CPU的整個指令集。

系統(tǒng)級的虛擬機就不得不實現(xiàn)CPU的整個指令集，因為OS內(nèi)核被編譯之后有可能用到CPU的所有指令，其中任何一條指令沒被支持都可能導致內(nèi)核運行失敗。

腳本語言的虛擬機怎么寫，之前已經(jīng)說過了，不再細說了。