虚拟设备和物理平台之间的资源分配

在物理硬件设备平台上通过虚拟机（VM）或其他虚拟化技术运行多个虚拟化设备时，这些虚拟化设备会消耗物理硬件资源。

虚拟化设备如何消耗资源？

1. CPU 资源

虚拟机会消耗物理 CPU 的计算能力。每个虚拟机分配一定数量的虚拟 CPU（vCPU），这些 vCPU 会映射到实际的物理 CPU 上。当虚拟机运行任务时，它们会竞争物理 CPU 的时间片。过多的虚拟机可能导致 CPU 资源争用，影响整体性能。

虚拟机如何消耗物理 CPU 资源？

1. CPU 分配与 vCPU

每个虚拟机（VM）在创建时，会分配一定数量的虚拟 CPU（vCPU）。这些 vCPU 是虚拟化软件（如 VMware、Hyper-V 或 KVM）创建的逻辑处理单元，它们并不是真实的物理 CPU，而是由物理 CPU 提供计算能力的抽象。

2. vCPU 与物理 CPU 的映射

每个 vCPU 需要映射到物理主机上的实际 CPU 核心或线程。这种映射通常由虚拟化管理程序（hypervisor）来管理。虚拟化管理程序会根据需要将 vCPU 的计算任务分配给物理 CPU 核心。例如，如果你有一个具有 4 个物理核心的主机，并且在上面运行了 4 个分配了 2 个 vCPU 的虚拟机，那么这些 8 个 vCPU 将会映射到这 4 个物理核心上。

3. CPU 时间片

操作系统和虚拟化管理程序使用一种称为“时间片”的技术来管理 CPU 资源。时间片是指 CPU 在一段时间内分配给一个任务的时间长度。当有多个任务需要运行时，操作系统会轮流分配时间片给每个任务，以实现多任务处理。

​ 在虚拟化环境中，虚拟化管理程序也会使用时间片来管理 vCPU 和物理 CPU 之间的关系。例如，如果一个物理核心可以在一秒钟内 处理 100 个时间片，而有两个 vCPU 映射到这个物理核心，那么每个 vCPU 将会轮流获得这些时间片。

4. CPU 资源争用

当有太多的 vCPU 映射到有限数量的物理核心时，就会发生资源争用。例如，如果一个主机只有 4 个物理核心，但有 10 个 vCPU 同时需要计算资源，这些 vCPU 就必须竞争这 4 个物理核心的时间片。这种竞争可能会导致某些 vCPU 得不到足够的计算时间，从而影响其运行效率和性能。

举个例子

假设你的物理主机有 4 个物理核心，并且你创建了两个虚拟机，每个虚拟机分配了 2 个 vCPU。正常情况下，这两个虚拟机可以很好地运行，因为它们总共使用了 4 个 vCPU，与物理核心数量相匹配。

但如果你再创建两个虚拟机，每个也分配 2 个 vCPU，那么总共有 8 个 vCPU。这时，每个物理核心需要处理两个 vCPU 的任务，这可能导致每个虚拟机的性能下降，因为每个 vCPU 得到的计算时间减少了。

vcpu是cpu在虚拟化过程中的一种映射，理论上的极限最佳状态是vcpu等于cpu,一旦vcpu>=cpu，就会导致竞争产生，一方面是cpu的vcpu负载压力大了，平均资源利用率下降，性能受限，另一方面是cpu时间片数量有限，vcpu需要在队列中排队。

vCPU 和物理 CPU 的关系

vCPU 是物理 CPU 的映射

vCPU 是虚拟化过程中创建的逻辑处理单元，它们映射到物理主机上的实际 CPU 核心或线程。
在理想状态下，每个 vCPU 都有一个专属的物理 CPU 核心，这样可以最大化性能。
vCPU 数量与物理 CPU 数量的关系

当 vCPU 数量等于或小于物理 CPU 数量时，每个 vCPU 可以独占一个物理 CPU 核心，性能表现最佳。
当 vCPU 数量大于物理 CPU 数量时，多个 vCPU 需要共享同一个物理 CPU 核心，这会导致资源竞争。

资源竞争和性能影响

CPU 负载压力

当 vCPU 数量超过物理 CPU 数量时，物理 CPU 的负载压力增加，因为它需要处理更多的任务。
这种情况会导致每个 vCPU 能够获得的计算时间减少，平均资源利用率下降，从而影响整体性能。
时间片调度

物理 CPU 使用时间片调度技术来管理多个任务。当 vCPU 数量超过物理 CPU 数量时，vCPU 需要在队列中等待分配时间片。
由于时间片数量有限，等待时间增加，任务处理延迟变长，性能进一步受限。

举例说明

假设你有一台物理主机，有 4 个物理 CPU 核心：

情况 1：vCPU 数量 <= 物理 CPU 数量

如果你创建了 4 个虚拟机，每个虚拟机分配 1 个 vCPU，那么每个 vCPU 可以独占一个物理核心，性能最佳。
情况 2：vCPU 数量 > 物理 CPU 数量

如果你创建了 8 个虚拟机，每个虚拟机分配 1 个 vCPU，那么这 8 个 vCPU 需要共享这 4 个物理核心。
每个物理核心需要处理两个 vCPU 的任务，导致资源争用和调度等待时间增加，性能下降。

总结

在虚拟化环境中，vCPU 和物理 CPU 的合理分配非常重要。过多的 vCPU 会导致资源竞争和性能瓶颈，因此在规划和管理虚拟机时，需要仔细考虑 vCPU 和物理 CPU 的比例，以确保系统的稳定性和高效性。

总结

• vCPU 是物理 CPU 的逻辑抽象：每个虚拟机分配的 vCPU 实际上是由物理 CPU 提供计算能力。
• vCPU 映射到物理 CPU：虚拟化管理程序负责将 vCPU 的任务分配给物理 CPU 核心。
• 时间片管理：通过时间片机制，多个 vCPU 可以共享同一个物理核心。
• 资源争用：当 vCPU 数量超过物理核心的处理能力时，会发生争用，导致性能下降。

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2. 内存资源

每个虚拟机需要分配一定数量的内存（RAM）。这些内存是从物理主机的总内存中分配出来的。如果所有虚拟机的内存需求总和超过了物理主机的内存容量，可能会导致内存争用，最终影响性能。现代虚拟化平台通常支持内存过度分配（overcommitment），但这需要谨慎管理。

内存分配与物理内存

每个虚拟机在创建时都会被分配一定数量的内存（RAM）。这部分内存是从物理主机的总内存中分配出来的。例如，如果物理主机有 32GB 的内存，你可以为每个虚拟机分配一定量的内存，直到总量接近 32GB。

内存争用

当所有虚拟机的内存需求总和超过了物理主机的内存容量时，就会发生内存争用。这意味着物理主机的内存不够用来满足所有虚拟机的需求，导致以下几种情况：

交换（Swapping）

当物理内存不足时，操作系统可能会将部分数据交换到硬盘上（即使用交换空间或页面文件）。硬盘的读写速度远慢于内存，这会显著降低性能。

内存压缩

某些虚拟化平台支持内存压缩技术，即将内存内容压缩以节省空间，但这也会增加 CPU 负载。

性能下降

内存争用会导致虚拟机频繁等待内存资源，从而影响整体性能。

内存过度分配（Overcommitment）

现代虚拟化平台通常支持内存过度分配，这意味着你可以分配给虚拟机的总内存量超过物理主机实际拥有的内存量。

这是基于以下几个假设：

不是所有虚拟机同时使用全部分配的内存；通常情况下，虚拟机不会同时使用其分配的全部内存。例如，一个分配了 8GB 内存的虚拟机可能实际只使用了 4GB。

动态内存管理

虚拟化平台可以动态调整虚拟机的内存分配。例如，当一个虚拟机需要更多内存时，可以从其他使用较少内存的虚拟机中借用。

示例说明

假设你有一台物理主机，具有 32GB 的物理内存，你创建了 4 个虚拟机，每个虚拟机分配了 10GB 的内存，总共 40GB。

这种情况下：

• 正常情况

  • 如果每个虚拟机实际使用的内存都不到 8GB，那么即使总分配量超过了物理主机的容量，也不会有问题。

• 高负载情况

  • 如果所有虚拟机同时需要使用接近其分配的 10GB 内存，总需求会超过 32GB，导致内存争用和性能下降。

所以关于内存的问题就是：和虚拟化所在的物理硬件平台有关，最好是实际分配的运存（RAM）小于等于物理平台，保持资源极限状态也能满足使用要求，一旦超出，在极限状态下就会出现内存争用，性能下滑，卡顿等。

内存分配与物理硬件平台

实际分配与物理内存容量

理想情况下，分配给所有虚拟机的总内存量应小于或等于物理主机的总内存容量。这可以确保每个虚拟机都能获得足够的内存资源，不会出现争用。

资源极限状态

在资源极限状态下，即使所有虚拟机都在高负载运行，物理主机也能满足其内存需求，性能不会受到明显影响。

内存争用与性能影响

内存争用

当分配给虚拟机的总内存量超过了物理主机的总内存容量时，内存争用就会发生。这意味着多个虚拟机需要竞争有限的内存资源。

性能下滑与卡顿

内存争用会导致性能下滑和卡顿，因为物理主机可能需要将部分数据交换到硬盘上（交换空间），或者使用其他技术（如内存压缩）来管理内存。这些操作都会增加系统的开销，降低整体性能。
内存过度分配（Overcommitment）

谨慎管理

虽然现代虚拟化平台支持内存过度分配（overcommitment），允许分配给虚拟机的总内存量超过物理主机的总内存容量，但这需要谨慎管理。
过度分配可能在某些情况下有效，例如并非所有虚拟机同时需要最大内存，但如果所有虚拟机同时需要大量内存，就会导致性能问题。

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3. 存储资源

虚拟机的磁盘文件（通常是虚拟磁盘）存储在物理主机的存储设备上。每个虚拟机的读写操作都会消耗存储 I/O 带宽。如果多个虚拟机同时进行大量的读写操作，可能会导致存储 I/O 瓶颈。

虚拟机的存储资源

虚拟磁盘

每个虚拟机都有一个或多个虚拟磁盘文件，这些文件存储在物理主机的存储设备上。虚拟磁盘文件通常是 .vmdk、.vhd 或 .qcow2 等格式的文件。

存储设备

虚拟机的虚拟磁盘文件存储在物理主机的存储设备上，这些设备可以是本地硬盘、SSD、网络附加存储（NAS）、存储区域网络（SAN）等。

存储 I/O 带宽

• 读写操作
  • 每个虚拟机的读写操作都会消耗存储 I/O 带宽。I/O 带宽是指存储设备在单位时间内能够处理的数据量。
• I/O 瓶颈
  • 如果多个虚拟机同时进行大量的读写操作，存储设备的 I/O 带宽可能会被耗尽，导致 I/O 瓶颈。这种情况会显著影响虚拟机的性能。

存储 I/O 瓶颈的影响

性能下降

当存储设备的 I/O 带宽被耗尽时，虚拟机的读写操作会变慢，导致整体性能下降。这种情况在高负载环境中特别明显。
响应时间增加

存储 I/O 瓶颈会增加虚拟机的响应时间，因为每个读写请求需要更长时间才能完成。

解决方案

• 优化存储设备
  • 使用性能更高的存储设备，如 SSD 或 NVMe 驱动器，可以显著提高 I/O 带宽，减少 I/O 瓶颈。
• 分布式存储
  • 将虚拟机的虚拟磁盘文件分布在多个存储设备上，可以均衡负载，减少单一存储设备的压力。
• I/O 限制
  • 在虚拟化平台上设置 I/O 限制，控制每个虚拟机的最大 I/O 带宽，以防止某个虚拟机过度消耗资源。
• 缓存技术
  • 使用缓存技术（如内存缓存或闪存缓存）可以加速读写操作，减少对底层存储设备的依赖。

[!TIP]

虚拟磁盘与物理磁盘之间的关系，以及虚拟磁盘大小和 I/O 的管理

虚拟磁盘与物理磁盘的映射关系

虚拟磁盘的大小

虚拟磁盘的大小是指分配给虚拟机的存储容量。例如，一个500GB的虚拟磁盘意味着这个虚拟机可以使用最多500GB的存储空间。

物理磁盘容量

虽然虚拟磁盘可以分配很大的存储空间，但这并不意味着物理磁盘必须大于或等于虚拟磁盘的总大小。虚拟化平台通常支持两种虚拟磁盘分配方式：预分配（Thick Provisioning）和动态分配（Thin Provisioning）。

虚拟磁盘的分配方式

预分配（Thick Provisioning）

在这种模式下，虚拟磁盘在创建时就会占用物理磁盘上等量的空间。例如，一个500GB的虚拟磁盘会立即在物理磁盘上占用500GB的空间。
优点：性能较好，因为不需要动态分配空间。
缺点：可能会浪费未使用的存储空间。
动态分配（Thin Provisioning）

在这种模式下，虚拟磁盘只在实际需要时占用物理磁盘空间。例如，一个500GB的虚拟磁盘最初可能只占用很小的空间，当数据写入时，才逐渐增加占用的物理空间。
优点：更高效地利用存储资源，减少浪费。
缺点：在高负载情况下可能会出现性能问题，因为需要动态分配空间。

存储 I/O 管理

I/O 操作

虚拟机的读写操作会映射到物理磁盘上的 I/O 操作。这些操作包括读取数据、写入数据、删除数据等。

I/O 带宽

存储设备的 I/O 带宽是有限的，如果多个虚拟机同时进行大量的读写操作，可能会导致 I/O 瓶颈。这种情况下，存储设备无法及时处理所有请求，导致性能下降。

I/O 优化

现代虚拟化平台通常提供多种优化手段，如I/O 调度、缓存技术、SSD 加速等，以提高存储 I/O 性能。

总结

虚拟磁盘的大小与物理磁盘容量之间并不是简单的一一对应关系，具体取决于使用的分配方式（预分配或动态分配）。
动态分配可以更高效地利用存储资源，但需要注意潜在的性能问题。
存储 I/O 是影响虚拟机性能的重要因素，需要合理管理和优化以避免瓶颈。

Q:如果使用预分配的方式，1T的物理磁盘，运行三个虚拟存储为500G的虚拟设备，会出现什么情况？

预分配方式下的情况

空间占用

每个虚拟磁盘在创建时就会立即占用500GB的物理磁盘空间。
因此，三个虚拟磁盘总共需要 3 x 500GB = 1500GB 的物理磁盘空间。

物理磁盘容量不足

由于物理磁盘只有1TB（1024GB）的容量，而三个虚拟磁盘需要1500GB的空间，这将导致物理磁盘空间不足。

结果

无法创建
在这种情况下，虚拟化平台会在创建第三个虚拟磁盘时提示错误，因为没有足够的物理磁盘空间来满足预分配要求。
具体的错误信息和行为可能因虚拟化平台而异，但总体上你将无法成功创建所有三个虚拟磁盘。

解决方案

• 增加物理存储
  • 增加物理存储容量，以满足所有虚拟磁盘的预分配需求。
• 使用动态分配（Thin Provisioning）
  • 如果实际使用的存储空间较少，可以考虑使用动态分配方式，这样虚拟磁盘只在实际需要时占用物理空间，从而避免物理存储不足的问题。
• 优化存储分配
  • 根据实际需求调整每个虚拟磁盘的大小，确保总的虚拟磁盘大小在物理存储容量范围内。

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[!NOTE]

举例分析

预分配（Thick Provisioning）的特点
空间预留

虚拟磁盘在创建时就会预留指定大小的空间。例如，一个500GB的虚拟磁盘文件会在物理磁盘上占用500GB的空间，无论实际使用了多少。

性能优势

由于空间已经预留，读写操作不会受到动态分配空间的开销影响，因此性能较好。

空间利用率

可能会导致未使用的存储空间被浪费。例如，一个500GB的虚拟磁盘文件即使只使用了10GB的数据，物理磁盘上仍然会占用500GB。
动态分配（Thin Provisioning）的特点

按需分配

虚拟磁盘在创建时不会立即占用全部指定大小的空间，而是根据实际使用情况按需分配。例如，一个500GB的虚拟磁盘文件初始可能只占用很少的空间，随着数据增加才逐渐扩展。

空间节省

物理磁盘上的实际占用空间与虚拟磁盘的实际使用空间相匹配，未使用的部分不会占用物理存储。

性能开销

动态分配在需要扩展空间时会有一定的性能开销，但对于很多应用场景来说，这种开销是可以接受的。
示例
预分配（Thick Provisioning）

创建一个500GB的虚拟磁盘文件，物理磁盘上立即占用500GB。
创建三个500GB的虚拟磁盘文件，需要1500GB的物理存储。

动态分配（Thin Provisioning）

创建一个500GB的虚拟磁盘文件，初始可能只占用10GB。
创建三个500GB的虚拟磁盘文件，如果每个虚拟机实际只使用了10GB，总共只需要30GB的物理存储。

总结
如果你的物理存储有限，并且虚拟机实际使用的存储空间较少，动态分配（Thin Provisioning）是一个更为高效的选择。而如果你需要确保性能并且有足够的物理存储空间，预分配（Thick Provisioning）则更为适合。

4. 网络资源

虚拟化网络资源包括带宽、网络接口控制器（NIC）等。每个虚拟机需要通过物理主机的网络接口进行通信。如果多个虚拟机同时进行大量的数据传输，可能会导致网络拥塞，影响通信效率。

1. 带宽：多个虚拟机共享物理主机的网络带宽。如果多个虚拟机同时进行大量的数据传输，可能会导致带宽不足，网络拥塞，从而影响通信效率。

2. 网络接口控制器（NIC）：物理主机的NIC需要处理所有虚拟机的网络流量。如果虚拟机数量多，或者数据传输量大，可能会导致NIC成为瓶颈。

3. I/O 资源

除了存储和网络 I/O，其他 I/O 操作（如 USB、串口等）也会消耗物理主机的 I/O 带宽。虽然这些资源通常不是瓶颈，但在特定应用场景下也需要考虑。

1. 存储I/O：虚拟机的读写操作会消耗物理磁盘的I/O带宽。如果多个虚拟机同时进行大量的读写操作，可能会导致存储I/O瓶颈。

2. 网络I/O：虚拟机的网络通信会消耗物理主机的网络I/O带宽，可能导致网络拥塞。

3. 其他I/O：如USB设备、串口等，这些通常不会成为瓶颈，但在特定应用场景下（如需要大量使用USB设备的虚拟机）也需要考虑。

4. 管理开销

运行虚拟化平台本身（如 VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、KVM 等）也会消耗一定的系统资源。这包括管理进程、监控服务等。

• 管理进程：虚拟化平台需要运行一系列管理进程来管理虚拟机，这些进程本身会消耗CPU和内存资源。
• 监控服务：为了确保虚拟机的正常运行，虚拟化平台会运行各种监控服务，这些服务会占用一定的系统资源。
• 其他开销：包括日志记录、备份服务、快照管理等，这些操作都会占用物理主机的资源。

资源管理与优化

为了优化资源使用，通常会采取以下措施：

• 资源限制与配额：为每个虚拟机设置资源限制，避免单个虚拟机过度消耗资源。
• 负载均衡：动态调整虚拟机在物理主机间的分布，平衡负载。
• 监控与调整：持续监控系统资源使用情况，及时调整配置以优化性能。
• 使用专用硬件：如使用专用的存储设备、网络设备等，以减轻主机负担。

对比总结

虚拟磁盘与物理磁盘

虚拟磁盘

• 虚拟磁盘是虚拟机使用的存储空间，可以通过预分配（Thick Provisioning）或动态分配（Thin Provisioning）方式来管理。
• 预分配（Thick Provisioning）：虚拟磁盘在创建时即占用物理磁盘上的相应空间。例如，一个500GB的虚拟磁盘会在物理磁盘上占用500GB的空间。
• 动态分配（Thin Provisioning）：虚拟磁盘只在实际需要时占用物理磁盘空间。例如，一个500GB的虚拟磁盘可能最初只占用10GB，随着数据增加才逐渐扩展。

物理磁盘

• 物理磁盘是实际存在的硬件存储设备，提供存储空间给虚拟机使用。
• 虚拟磁盘的大小和实际使用情况会直接影响物理磁盘的剩余空间。

内存（RAM）与CPU

内存（RAM）

• 内存是虚拟机运行时使用的临时存储空间，用于存放操作系统、应用程序和数据。
• 虚拟机的内存分配是从物理服务器的总内存中划分出来的。例如，主机有64GB内存，可以分配给多个虚拟机，每个虚拟机可能分配4GB、8GB等。
• 内存分配一般是即时的，虚拟机运行时会占用相应的物理内存。

CPU

• CPU分配是指将物理服务器的CPU资源划分给虚拟机使用。
• 虚拟机可以分配一定数量的虚拟CPU（vCPU），这些vCPU对应于物理CPU的核心或线程。
• 虚拟化平台会管理CPU资源的调度和分配，以确保每个虚拟机得到合理的计算能力。

总结

• 虚拟磁盘与物理磁盘密切相关，特别是在预分配模式下，虚拟磁盘大小直接对应物理磁盘占用。
• 内存（RAM）与CPU资源则是从物理服务器中划分出来，独立于物理磁盘容量。

综合选择

物理硬件条件

• CPU：确保物理主机有足够的CPU核心和频率来支持所有虚拟机的计算需求。合理分配vCPU数量，避免过度分配导致性能下降。
• 内存（RAM）：确保物理主机有足够的内存来支持所有虚拟机的运行。避免内存超分配（overcommitment），以免导致虚拟机性能不稳定。
• 存储：根据应用需求选择合适的存储类型（如SSD或HDD），并合理分配存储空间。考虑使用RAID或其他冗余技术来提高数据可靠性。
• 网络：确保物理主机有足够的网络带宽和网络接口来支持所有虚拟机的通信需求。可以考虑使用多NIC配置和网络负载均衡技术。

虚拟化技术选择

• 预分配（Thick Provisioning） vs. 动态分配（Thin Provisioning）：根据存储需求和性能要求选择合适的虚拟磁盘分配方式。预分配适用于对性能要求高的场景，而动态分配则可以节省存储空间。
• 资源调度和管理：选择合适的虚拟化平台（如VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、KVM等），并利用其资源调度和管理功能，如动态资源调度（DRS）、高可用性（HA）等。

性能监控与优化

• 监控工具：使用虚拟化平台自带的监控工具或第三方监控软件，实时监控虚拟机和物理主机的资源使用情况，及时发现和解决性能瓶颈。
• 优化策略：根据监控数据调整资源分配策略，如调整vCPU和内存分配，优化存储I/O和网络I/O，确保各虚拟机的性能需求得到满足。

管理开销

• 虚拟化平台开销：运行虚拟化平台本身会消耗一定的系统资源，包括管理进程、监控服务等。需要确保物理主机有足够的资源来支持这些管理开销。
• 定期维护：定期更新和维护虚拟化平台，确保其稳定性和安全性。