编程随想 | 扫盲操作系统虚拟机6:如何优化运行速度?

  前几天聊到了对付流氓软件的几个招数,其中最管用的一招是“操作系统虚拟机”。那篇博文发出后,有几个读者在博客留言中抱怨说:用了虚拟机之后,系统太卡了。所以今天来普及一些虚拟机的“运行速度优化”。
  本文重点介绍【同时运行多个 VM 的速度优化】。俺会从“硬件选型”和“软件设置”两个角度分别来聊。如果你是第一次看本系列,建议你先看完前面几篇,再看本文。

★CPU(中央处理器)的“虚拟化技术”

  在虚拟机的速度优化中,“虚拟化技术”是非常重要滴,可惜又少有人了解。所以俺把它放在本文第一个章节。

◇啥是“虚拟化技术”?

  “虚拟化技术”全称是“x86硬件虚拟化技术”,维基百科的解释在“这里”。为了打字省力,以下简称“VT”。
  该技术是在【硬件】层面额外提供一些机制,这些机制仅仅用于“虚拟化”方面。如果你的电脑不是用来跑“虚拟机”,VT 技术对你而言毫无用处。
  为啥要在硬件层面额外提供这样一种技术捏?因为 x86 的体系结构,天生就【不适合】用来搞“操作系统虚拟化”(个中缘由,考虑到篇幅,就不细谈了)。但是最近10多年来,“虚拟化”是大势所趋。所以 Intel 和 AMD 都在自家的芯片上提供了适合“虚拟化”的扩展机制。对 Intel 芯片而言,称之为“Intel-VT”(也叫“VT-x”);对 AMD 芯片而言,称之为“AMD-V”。
  请注意,VT 只在部分型号的芯片上提供。也就是说,不论是 Intel 还是 AMD,都只有某些型号的芯片是支持 VT 的。

◇VT 有啥用?

  如果要从原理上阐述 VT 的用处,需要涉及到 x86 架构的设计及其缺陷,说来话长啊。考虑到篇幅,俺只举几个例子。
  举例1:
  有了 VT 之后,如果 Guest OS 中需要执行 CPU 的特权指令,虚拟机软件可以利用 VT 原生支持(硬件层面搞定);如果没有 VT,碰到这种情况就只能靠软件模拟运行(靠软件模拟,效率差太多了)。
  很多同学抱怨电脑跑 VM 太慢,其中一部分人的原因就是——CPU 不支持 VT。

  举例2:
  有了 VT 之后,你可以在“32位”的 Host OS 里面虚拟出“64位”的 Guest OS;若没有 VT 支持,就无法在“32位”上虚拟“64位”。

◇如何判断“VT 是否可用”?

  首先,你应该去查一下自己的电脑是啥型号的,然后 Google 一下该型号的硬件配置,通常都可以在那些电脑行情网站(比如:太平洋电脑网、中关村在线)上找到该型号使用的 CPU 规格。在 CPU 规格中,通常就会提到这款 CPU 是否支持 VT。万一在 CPU 规格中没有提及是否支持 VT,你可以根据该 CPU 的详细型号,再到 Intel 或 AMD 的官网上查,肯定能查到相关说明。
  假如你查到自己的 CPU 是支持 VT 的,还没完。你还得到操作系统里面检验一下,看 VT 在操作系统层面是否可见。

  对于使用 Windows 的同学
  Intel 和 AMD 各自都提供了专门的检测工具。不过俺还是推荐用微软提供的检测工具(Intel/AMD 通吃)。下载链接在“这里”。该工具是绿色的(免安装),在 Host OS 中运行它,就会提示你的系统是否支持 VT。
  对于使用 Linux 的同学
  请自行查看 Host OS 中的 /proc/cpuinfo 文件——对于 Intel 芯片,搜索 vmx 标志;对于 AMD 芯片,搜索 svm 标志。

◇疑难解答

  如果你上网查到自己的 CPU 是支持 VT 的,但是用微软的检测工具却显示不支持,那么很可能是你【没有】在 BIOS 中开启 VT 设置。

  如果你在 BIOS 中开启了 VT,但是微软的检测工具还是报告说“不支持 VT”,那么还有如下几种可能:
1. 有些电脑在系统启动时会锁定 VT 设置。所以你必须先【关机】,然后再开机并进入 BIOS 界面,再去修改 VT 设置。如果你只是【重启动系统】,没有进行【关机】操作,可能会导致 VT 的修改没生效。
2. 极少数便携式电脑在 BIOS 修改 VT 扩展之后,要进行完全放电,才能让修改生效。
3. 检查一下你的芯片驱动是否装对了

★CPU 的并行能力

◇名词解释

  所谓的“并行”(parallel),通俗而言就是:让 CPU 可以同时干多个事情。
  CPU 的并行能力,主要通过三种技术来实现:多处理器(dual processor)、多核(dual core)超线程(hyper threading)
  至于这三种的详细解释,俺就偷个懒,大伙儿自己去看维基百科吧。

◇几种并行技术的性能对比

  这三种 CPU 的并行技术,其优缺点对比(尤其是前两种),网上有不少口水战。客观地讲,在不同的使用场景,不同技术的表现也是不同滴。所以很难一概而论地说哪个技术更好。
  在“多 VM 同时运行”的场景下,俺个人认为:
其它指标相同的情况下,“N个单核的CPU”优于“一个N核的CPU”
其它指标相同的情况下,“一个双核的单线程CPU”优于“一个单核的超线程CPU”(“超线程”通常指“双线程”)

◇购买时的考虑

  如果你正打算采购一台电脑,并且计划在该电脑上跑多个 VM。从“性价比”的角度考虑,你应该挑选“单 CPU 多核”。
  因为个人用的电脑,主板大都只支持【单个 CPU】;支持多 CPU 的电脑,价格要高出很多。所以在性价比考虑之下,只能退而求其次,选“单 CPU 多核”——这是比较划算的方案。
  至于应该买“几核”的 CPU,俺的建议是——在你的预算内,核心数多多益善。

◇配置时的考虑

  主流的虚拟机软件(VMware 和 VirtualBox)都可以指定 Guest OS 使用的 CPU 数量。
  对于 VirtualBox,它提供的界面上让你设置的是“虚拟 CPU 数”(对应的是“核心数”)。你设置的数量要【小于等于】你物理 CPU 的“总核心数”(即使是超线程的 core 也只算1个)。
  对于 VMware,它提供的界面上可以让你设置“CPU 数”与“每 CPU 核心数”。此处的设置比 VirtualBox 复杂。大伙儿可以参考 VMware 官网的文档(链接在“这里”)。
  通常情况下,你只需设置为跟你的物理 CPU 的情况一致,就可以了。但是有些特殊情况,俺需要提醒一下。
  VMware 下的特殊情况:
  微软提供的某些 Windows 版本,会存在 CPU 数的限定(这是微软的销售策略导致的)。比如 Windows Server 2003 Standard Edition 限定了最多只能用4个 CPU(指 processor,不是 core);比如 WinXP 最多支持2个 CPU(也是指 processor)。如果你分配给 Guest OS 的 CPU(processor) 超过了微软规定的上限,那超出的部分就浪费了。

★内存相关的优化

  相比 CPU,内存方面没有太多讲究。

◇购买时的考虑

  如果你正在考虑买电脑,并且你想跑多个 VM,在预算范围内尽量买内存大的,或者是买来之后自己加内存。
  需要多大的内存,取决于你需要【同时运行】的 VM 数量,以及每个 VM 的用途。
  如果你善于优化,即使不大的内存,也可以同时跑好几个 VM(本文后续章节会稍微聊一下 Guest OS 的优化)。

◇配置时的考虑

  目前所有的虚拟机软件,都可以让你给每个 Guest OS 单独指定内存大小。
  给 Guest OS 配置内存,要恰到好处。
  如果配得太小,可能会导致 Guest OS 频繁使用虚拟内存,然后虚存频繁换页,就会导致频繁的磁盘 I/O,自然就拖慢【整台电脑】的性能。
  如果配得太大,可能会导致留给 Host OS 的内存太小,然后 Host OS 频繁使用虚存,同样会出现频繁的内存换页和磁盘 I/O。【整台电脑】的性能同样会被拖慢。

◇32位 vs 64位

  如果电脑的物理内存【小于】4GB,你的 Host OS 可以装“32位”也可以装“64位”。俺通常建议想玩 VM 的同学装“64位”。因为装了“64位”之后,万一今后想扩展物理内存,就不存在 4GB 的限制。
  如果电脑的物理内存【超过】4GB,你当然要直接上【64位】的操作系统。虽然从理论上讲,“32位”也可以玩转超过 4GB 的物理内存。不过捏,这需要通过一些旁门左道的技术(比如:PAE/物理地址扩展)。俺个人不建议大伙儿(尤其是技术菜鸟)去折腾这种旁门左道。

★磁盘相关的优化

◇机械硬盘 VS 固态硬盘

  “机械硬盘”大伙儿应该都比较熟悉了,俺就不介绍了。单说说新兴的“固态硬盘”(洋文缩写是 SSD)。
  相比传统的硬盘,SSD 的优点很明显,有如下几个:
1. 读写速度飞快(尤其是读速度比机械硬盘快更多)
2. 无噪音
3. 无惧震动
4. 不发热
5. 低功耗
  但是 SSD 的缺点同样明显,有如下几个:
1. 损坏后难恢复(相比机械硬盘,损坏前无预兆,一旦损坏就整块报废)
2. 写入次数很有限(这个可以通过“损耗均衡技术”来解决)
3. 价格

  俺个人觉得:多数情况下,【没有必要】刻意追求 SSD。基于性价比考虑(如今 SSD 的价格还是偏高),花小钱升级内存比花大钱买 SSD 对性能的提升更明显。
  因为普通人用电脑,操作的软件大都【不是】“磁盘 I/O 密集型”。比如你用浏览器上网,浏览器对磁盘的读写就非常非常少。比如你用 Office 处理文档,即使你设置了“每分钟自动保存”,对磁盘的读写依然是非常少的。
  有些同学可能会问:自己天天下载电影,天天在电脑上播放,这样算不算“磁盘 I/O 密集型”?俺觉得这个都算不上。因为在线下载,瓶颈在网速(家用宽带也就 10Mbps 的数量级,SATA 的传输率是 Gbps 的数量级)。即使是播放本地高清视频文件,也远达不到磁盘传输的上限。
  相对而言,如果你的内存足够大,就可以禁用操作系统的“虚拟内存”。如此一来就避免了虚存换页导致的“磁盘 I/O”——在内存紧张的情况下,虚存交换导致的磁盘读写,是很惊人的。(下面的章节还会再提到“虚拟内存”的优化)

◇记得切换物理磁盘的【工作模式】

  对于 PC 机而言,比较常见的硬盘接口有两种:一种是老式的 PATA(并行 ATA,也叫“IDE”),另一种是新式的 SATA(串行 ATA)。如今新买的电脑,估计都已经是 SATA 接口了。
  因为电脑厂商要考虑旧操作系统的兼任性,所以大多数 PC 机的 BIOS 设置中,都保留了一个“IDE”的兼容模式。在新买的电脑中,有的电脑 BIOS 默认设置是 ACHI(用于 SATA),有的默认设置是 IDE。
  如果你不确定的话,建议看一下你电脑的 BIOS 设置,看看硬盘的工作模式是哪个。如果依然是 IDE 模式,赶紧改成 ACHI 模式。因为 ACHI 模式才能完全发挥 SATA 接口的性能。

◇虚拟磁盘【格式】的选择

  某些虚拟机软件同时支持多种虚拟磁盘格式(典型的就是 VirtualBox,支持好多种)。那么你在创建新的 Guest OS 时,应该选择哪种格式捏?俺的建议是:选择该虚拟机软件原生的格式。
  以 VirtualBox 为例。
  它同时支持 VDI、VMDK、VHD、HDD、QED 等多种格式。但是这些格式中,只有 VDI 是 VirtualBox 原生支持的——所谓的“原生支持”就是说,这个 VDI 格式本身就是 VirtualBox 的开发团队发明的。所以,对 VirtualBox 的用户而言,如无特殊情况,尽量用它原生的 VDI 磁盘格式。
  下面是几款常见虚拟机原生的“虚拟磁盘格式”:
VirtualBox——VDI
VMware——VMDK
Virtual PC/Virtual Server——VHD
QEMU——QED

  补充说明:
  使用原生的磁盘格式,除了性能上的考虑,还有一个是基于“安全性”的考虑——对虚拟机用户而言,虚拟磁盘承载了你的数据,是非常重要滴。
  由于原生的磁盘格式就是指虚拟机软件的开发团队自己发明的格式。所以对“原生格式”的支持,比较【不容易】出故障和 Bug

◇RAID 的考虑

  如果你的电脑只有一块物理硬盘,请跳过本小节。
  如果你的电脑中同时插了多块物理硬盘,可以考虑用 RAID 来提升硬盘的读写性能。
  由于大部分网友的电脑都是单硬盘,俺就不展开细聊了。有此需求的同学可以参考维基百科词条,选择适合你的 RAID 方式。

★优化“Guest OS 的内存占用”

◇使用“更省内存”的操作系统

  如今很多网友都用上 Win7。但是 Win7 的内存占用是比较大滴。如果你想在 VM 里面跑 Win7,建议你改用 Windows ThinPC。这是微软官方发布的版本,根据 Win7 进行精简(含 Win7 SP1)。它的系统安装盘小了很多,安装后的硬盘占用也小了很多,启动后的内存占用也小了很多。关于 ThinPC 的更多介绍,可以看俺之前的博文《Windows XP 大限已至——要不要换系统?如何换?》。
  如果你喜欢折腾技术,还可以用 Linux 作为 Guest OS。相比 Windows,Linux 的优点之一是:可以深度定制。通过定制,可以让它变得很轻量级,只占用很少的内存。如今已经有很多现成的“轻量级 Linux 发行版”(请看维基百科的这个链接),其中一些只要几十兆内存就可以正常运行。
  不熟悉 Linux 的同学可以参考俺之前的博文《扫盲 Linux:新手如何搞定 Linux 操作系统》。

◇使用“更省内存”的软件

  比如说,如今网友们上网,经常会在浏览器中开启几十个标签页。当标签页开得很多时,浏览器占用的内存自然也猛增。但是不同的浏览器,差异还是很明显的。俺找到一篇今年(2014)的测评报告(英文原文中文翻译),对比了 Chrome 34、Firefox 29、IE 11。当开启 40 个标签页的情况下,Firefox 的内存占用最小,IE 最大。并且 IE 占用内存几乎是 Firefox 的2倍。
  俺举这个例子是想说明——选择性能更优秀的软件,会帮你节省很多内存。

◇禁用不需要的系统服务(service)

  Windows 是面向傻瓜用户的,而且 Windows 的应用范围很广(从商务办公到居家打游戏),所以它默认开启了很多系统服务。因为微软不确定这些服务是否会被用到,所以就把【可能用到】的服务,都设置为“自动”启动。
  这样一来,确实方便了傻瓜用户,但是也导致默认的系统服务占用太多内存。所以你需要把那些你压根儿用不到的服务停掉(把启动方式修改为“手动”)。(至于哪些服务可以停掉,大伙儿如果感兴趣,再另外写一篇)

◇去掉不需要的启动项(auto run)

  很多软件(尤其是流氓软件)喜欢在“启动项”里面加东西。有些启动项压根儿用不到,岂不是白白浪费内存?
  所以你应该清理一下那些没啥用的启动项。

◇虚拟内存的设置

  其实在刚才,俺已经提到了“虚拟内存”的话题。
  “虚拟内存”简称“虚存”,洋文叫做“virtual memory”,维基百科的词条在“这里”。
  经常听到有人抱怨系统太卡。当系统运行变慢的时候,你观察一下系统的内存使用,然后再看一下电脑的硬盘灯。如果系统的内存使用已经很高,并且硬盘灯长亮。这通常说明系统在进行频繁的“虚存交换/虚存换页”。这个过程需要进行频繁的磁盘读写,从而拖慢了整个系统。于是你就觉得系统很卡。
  关于“虚存”,俺的经验是:先把物理内存搞大,然后禁用虚存。由于物理内存足够,并且虚存被禁用,那么就不存在“虚存交换”,这可以降低很多的磁盘 I/O 过程。
  套用到 VM 管理上——你必须给每个 Guest OS 配置足够大的内存,然后在 Guest OS 里面禁用“虚存”(具体如何禁用,你自己去 Google 一下)。
  注意事项:
  如果你要使用俺这个建议,要确保系统的内存是足够的。在禁用虚存的情况下,如果内存耗尽,可能会导致系统崩溃或者某个进程崩溃。

★杂项

  在本文的最后,俺顺便列举一些杂七杂八的注意事项。

◇在 Guest OS 中安装虚拟化的相关驱动

  虽然这条放在“杂项”,但是这条很重要。
  当你安装好 Guest OS 的操作系统之后,首先记得在这个 Guest OS 里面安装虚拟机软件的驱动。对于 VMware 而言,这玩意儿叫做“VMware Tools”;对 VirtualBox 而言,这玩意儿叫做“Guest Additions”。
  装好之后,除了改善很多 GUI 方面的体验(比如“鼠标的无缝融合”,比如“改进 Guest 的屏幕分辨率”),还可以改善其它的一些虚拟设备的性能。

◇3D 加速

  如果你要运行一些涉及 3D 的应用(比如 3D 游戏),要记得去 Guest OS 的设置界面,勾选“3D 加速”这个选项(VirtualBox 和 VMware 都有此选项)。

◇禁止杀毒软件扫描虚拟磁盘文件

  Guest OS 的虚拟磁盘文件,通常都很大很大(相当于把虚拟系统的所有硬盘内容放在一个文件中)。如果 Host OS 里面的杀毒软件尝试去扫描这些虚拟磁盘文件,由于文件太大,会导致扫描过程消耗非常多的磁盘 I/O,从而拖慢你整台电脑的性能。
  所以,你必须对杀毒软件进行一些设置,禁止它去扫描那些存放 Guest OS 的目录。

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2014年9月10日, 7:44 上午
分类: 公民博客
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