虛擬化技術是一門古老的新技術。早在1959年，牛津大學Christopher Strachey就提出了具有虛擬化概念的高效分時復用方案，意在解決當時大型機器使用效率低下的問題。到20世紀60至70年代，虛擬化研究進入了個高速發(fā)展時期，出現了以IBM CP��67/CMS為代表的大型機虛擬化技術，并提出了硬件架構可虛擬化的理論和準則（如敏感指令應屬于特權指令）。但到了20世紀80年代，隨著操作系統的成熟，資源管理不再以虛擬化為中心，MIPS和x86等CPU廠商出于成本和商業(yè)考慮，設計的硬件架構不再滿足可虛擬化準則，形成了所謂的虛擬化漏洞（例如，x86有5類共17條敏感指令，但不屬于特權指令）。隨著個人計算機的普及，研究者提出了一系列彌補x86架構虛擬化漏洞的方法，代表性的技術有斯坦福大學Mendel Rosenblum等在SOSP 1997國際學術會議發(fā)表的DISCO系統，虛擬化技術重新興起。隨后，Intel和AMD等硬件廠商提出了硬件輔助虛擬化，使得x86硬件平臺滿足可虛擬化準則。從2006年亞馬遜以虛擬機形式向企業(yè)提供IaaS（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務）平臺開始，虛擬化技術成為當前支撐云計算、大數據、移動互聯網和工業(yè)互聯網等新型計算和應用模型的關鍵根技術。
回顧虛擬化的發(fā)展歷史，可得出一些重要啟示。一是基礎研究對于計算機系統非常重要，不少關鍵技術的突破首先來自學術界和工業(yè)界的前沿研究； 二是的技術未必用于產品，成本和市場也是重要考量（ARM和RISC�睼初期也不是可虛擬化硬件架構，如ARMv6有4大類24條敏感非特權指令）。因此，深入理解虛擬化技術，把握其內在的發(fā)展規(guī)律，對于虛擬化的創(chuàng)新發(fā)展有重要作用。
系統虛擬化作為物理硬件層的虛擬化，在計算機硬件和操作系統之間引入一個系統軟件抽象層，向下管理硬件資源，向上對操作系統提供虛擬機接口，其目標可概括為功能不缺失、性能不損失。因此，系統虛擬化涉及操作系統和硬件接口，技術體系比較復雜，對初學者來說是一個很大的挑戰(zhàn)。讀者如果不了解虛擬化技術的基本原理而去直接翻閱源代碼，例如開源的QEMU/KVM，很容易抓不住主線，迷失在龐大的代碼中（QEMU源代碼已超過150萬行）。然而要把源代碼涉及的方方面面都講清楚需要極大的篇幅。因此，本書借鑒學習操作系統（Linux內核源代碼已超過2700萬行）的方法，借助實驗把重要概念涉及的主干技術路徑敘述清楚，讀者可以通過調試和打印直觀理解虛擬化場景的現場，使靜態(tài)的代碼變得鮮活生動。其次，類似于代碼量約1萬行的Linux 0.11，麻雀雖小、五臟俱全，本書第6章從零開始構建一個用戶態(tài)輕量級虛擬化平臺，逐步展現虛擬機的構建過程，掌握系統虛擬化技術的關鍵基因圖譜。
基于在虛擬化領域的長期研究和實踐積累，以及和華為虛擬化團隊在openEuler開源操作系統上的合作研究，本書試圖從龐大的虛擬化技術中厘清關鍵路徑，并配以相關實驗，幫助讀者了解系統虛擬化技術的來龍去脈，理解基本原理，掌握核心方法，為進一步的研究打下基礎。
本書定位為計算機系統虛擬化領域的專業(yè)圖書，面向工程科技類普通讀者。讀者除了需要具備基本的硬件體系結構和操作系統知識外，無須其他先修課程。此外，本書受眾還包括有志于計算機系統軟件領域深耕的研發(fā)人員以及對虛擬化感興趣的技術愛好者。
全書分6章，內容涵蓋系統虛擬化的基本概念和實現方法，將系統虛擬化技術分為目前主流的一虛多（把單物理機器抽象成若干虛擬機器）和新型的多虛一（把多物理機抽象成單一虛擬機）。對于傳統一虛多技術，本書基于開源QEMU/KVM和x86平臺深入介紹了CPU、內存和I/O虛擬化的基本原理，并配備了相關實驗。針對新型多虛一技術，本書介紹了開源項目GiantVM的CPU、內存和I/O多虛一的基本實現方法。此外，針對ARM虛擬化，本書專門介紹基于ARMv8的鯤鵬虛擬化架構。后，本書基于內存安全的Rust語言從零開始打造一個具備基本功能的輕量級虛擬化平臺StratoVirt，逐步提供CPU、內存和I/O的虛擬化能力。從開始運行一段匯編代碼到終能夠運行Linux客戶機操作系統，讀者可以完整經歷虛擬化從設計到實現的全部流程。同時，讀者可以參考華為產品級StratoVirt的源代碼，領略基于Rust語言實現的前沿輕量級虛擬化技術。感謝實驗室同學和華為公司對本書撰寫工作做出的重要貢獻，其中第1章主要由戚正偉撰寫，第2章主要由余博識撰寫，第3章主要由賈興國撰寫，第4章主要由張正君撰寫，第5章主要由余博識、賈興國、張正君和楊銘合作撰寫，第6章由徐飛、張亮、楊曉鶴、高煒、楊銘、吳斌、王志鋼撰寫，全書由戚正偉、管海兵修改和審閱。寫作過程中參考了實驗室GiantVM項目的代碼和文檔（主要來自陳育彬、丁卓成、張晉）。項羽心、張晉、鄧天邁等同學仔細閱讀了本書，并提供了寶貴的修改意見。特別感謝賈興國等對本書插圖的精心繪制，使得比較復雜的概念更為直觀清晰。虛擬化團隊技術專家胡欣蔚、范良、章曉峰、吳斌、王志鋼在本書寫作過程中提供了大量的資源和支持。本書后一章的動手實踐思路主要來自王志鋼。感謝清華大學出版社盛東亮老師和鐘志芳老師等的大力支持，經過多輪修改，使本書質量大為提高。
由于虛擬化技術發(fā)展很快，已經深入計算機系統的方方面面，加之作者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，懇請讀者批評指正！

作者
2021年5月