Les systèmes d'exploitation/Virtualisation et machines virtuelles

Grâce aux différentes technologies de virtualisation, il est possible de lancer plusieurs systèmes d'exploitation en même temps sur le même ordinateur. Il est ainsi possible de passer d'un O.S à un autre relativement rapidement, suivant les besoins, avec un simple raccourci clavier. Vous avez certainement déjà eu l'occasion d'utiliser VMWARE ou un autre logiciel de virtualisation. Ces technologies sont aussi beaucoup utilisées sur les serveurs, entre autres.
Les machines virtuelles.
Ces logiciels implémentent ce qu'on appelle des machines virtuelles. Il s'agit d'une sorte de faux matériel, garantie par un logiciel. Un logiciel qui s’exécute dans une machine virtuelle aura l'impression de s’exécuter sur un matériel et/ou un O.S différent du matériel sur lequel il est en train de s’exécuter.
Ces machines virtuelles sont utilisés aussi bien pour les techniques de virtualisation que sur ce qu'on appelle les émulateurs, des logiciels qui permettent de simuler le fonctionnement d'anciens ordinateurs ou consoles de jeux. Mais les techniques de virtualisation fonctionnent un peu différemment de l'émulation de consoles de jeux. En effet, un émulateur a besoin d'émuler le processeur, qui est généralement totalement différent entre le matériel émulé et le matériel sur lequel s’exécute la V.M ("virtual machine", machine virtuelle). Ce n'est pas le cas avec la virtualisation, le jeu d'instruction étant généralement le même.
Le logiciel de virtualisation est généralement limité à un logiciel appelé hyperviseur. Celui-ci gère plusieurs machines virtuelles, une par O.S lancé sur l'ordinateur. Il existe différents types d'hyperviseurs, qui sont généralement appelées sous les noms techniques de virtualisation de type 1 et 2. Dans le premier cas, l'hyperviseur s’exécute directement, sans avoir besoin d'un O.S sous-jacent. Dans le second cas, l'hyperviseur est un logiciel applicatif comme un autre, qui s’exécute sur un O.S bien précis. Les émulateurs utilisent systématiquement un hyperviseur de type 2 amélioré, capable de simuler le jeu d'instruction du processeur émulé.
Une méthode annexe à la virtualisation de type 2 consiste à modifier l'O.S à virtualiser de manière à ce qu'il puisse communiquer directement avec l'hyperviseur. On parle alors de paravirtualisation. Avec cette méthode, les appels systèmes des O.S sont remplacés par des appels systèmes implémentés par l'hyperviseur.
Certains processeurs disposent de technologies matérielles d'accélération de la virtualisation. Sur les processeurs x86, on peut citer l'Intel Vtx ou l'AMD-V.
Fonctionnement/implémentation.
On peut se demander comment les technologies de virtualisation et les émulateurs font pour simuler une machine virtuelle. Pour être considéré comme un logiciel de virtualisation, un logiciel doit remplir trois critères :
Remplir ces trois critères est possible sous certaines conditions, établies par la théorie de la virtualisation de Popek et Goldberg. Ceux-ci ont réussit à établir plusieurs théorèmes sur la possibilité de créer un hyperviseur pour une architecture matérielle quelconque. Ces théorèmes se basent sur la présence de différents types d'instructions machines. Pour faire simple, on peut distinguer les instructions systèmes, qui agissent sur le matériel. Il s'agit d'instructions d'accès aux entrées-sorties, aussi appelées instructions sensibles à la configuration, et d'instructions qui reconfigurent le processeur, aussi appelées instructions sensibles au comportement. Certaines instructions sont exécutables uniquement si le processeur est en mode noyau. Si ce n'est pas le cas, le processeur considère qu'une erreur a eu lieu et lance une exception matérielle. Ces instructions sont appelées des instructions privilégiées. On peut considérer qu'il s'agit d'instructions que seul l'O.S peut utiliser. À côté, on trouve des instructions non-privilégiées qui peuvent s’exécuter aussi bien en mode noyau qu'en mode utilisateur.
La théorie de Popek et Goldberg dit qu'il est possible de virtualiser un O.S à une condition : que les instructions systèmes soient toutes des instructions privilégiées. Si c'est le cas, virtualiser un O.S signifie simplement le démarrer en mode utilisateur. Quand l'O.S exécutera un accès au matériel, il le fera via une instruction privilégiée. Ce faisant, celle-ci déclenchera une exception matérielle, qui sera traitée par une routine d'interruption spéciale. L'hyperviseur n'est ni plus ni moins qu'un ensemble de routines d'interruptions, chaque routine simulant le fonctionnement du matériel émulé. Par exemple, un accès au disque dur sera émulé par une routine d'interruption, qui utilisera les appels systèmes fournit par l'OS pour accéder au disque dur réellement présent dans l'ordinateur. Cette méthode est souvent appelé la méthode trap-and-emulate.
Mais le critère précédent n'est pas respecté par beaucoup de jeux d'instructions. Par exemple, ce n'est pas le cas sur les processeurs x86, qu'ils soient 32 ou 64 bits. Diverses instructions systèmes ne sont pas des instructions privilégiées. La solution est simplement de traduire à la volée les instructions systèmes (privilégiées ou non-privilégiées) en appels systèmes équivalents. Cette technique est appelée la réécriture de code.

Les systèmes d'exploitation/La multiprogrammation