Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen ::

Virtuelle Maschinen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen ::

Virtuelle Maschinen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen ::

Virtuelle Maschinen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen ::

Virtuelle Maschinen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtualisierung

Virtualisierung

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtualisierung

Virtualisierung

$${V}:{A}{P}{I}_{{i}}\to{A}{P}{I}_{{o}},\Theta{\left({A}{P}{I}_{{o}}\right)}\gg\Theta{\left({A}{P}{I}_{{i}}\right)}$$

• VM für eingebettete Systeme:
  • Lua (eLua, 32 Bit, 64kB RAM, 256kB ROM, GC, speed-down 1:100)
  • FORTH (Mecrisp, 32 Bit (≥8), 1kB RAM, 16 kB ROM, JIT!, no GC, speed-down 1:10)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtualisierung

A Computer System Architektur mit verschiedenen Ebenen (Software, Betriebssystem, Hardware) → verschiedene Virtualisierungsebenen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtualisierung

Virtualisierung

     Java Application                     
           │                              
           │  Java VM jvm (bytecode)      
           ∇                              
       Linux IA32                         
           │                              
           │  VMWARE (x86)                
           ∇                              
      Windows IA32                        
           │                              
           │  Code Morphing (x86 ──▶ Risc)
           ∇                              
      Crusoe VLIW                         

Drei Ebenen von VMs. Eine Java-Anwendung, die auf einer Java-VM ausgeführt wird (Linux OS), die auf einer System-VM ausgeführt wird (Windows OS), die wiederum auf einem Code Morphing Prozessor VM läuft (VLIW: Very Large Instruction Word)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Prozessvirtualisierung

Prozessvirtualisierung

• Einzelne Ausführungsprozesse werden virtualisiert

• Häufig werden Programme in einer eigenen Metasprache und einem speziellen Anweisungsformat ausgeführt (Bytecode, Text)

  • Java Virtual Machine (jvm)
  • Lua Virtual Machine (lua, luajit, plvm)
  • JavaScript Virtual Machine (Google v8, jerryscript, spidermonkey)
  • OCaML Bytecode VM (funktionale Programmierung)

• Benötigt spezielle Verabeitung der Programme (nur auf dieser VM ausführbar)

• Abstraktion von Hardware und Betriebssystemebene

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Prozessvirtualisierung

A Prozessvirtualisierung (Abstraktion von Hardware und Software) → Highlevel Language VM → Parallelisierung auf VM Instanzebene (1:1 Zuordnung P:VM)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Systemvirtualisierung

Systemvirtualisierung

• Hier wird die Maschine (Hardware) virtualisiert

• Verschiedene Programme und Programmformate können konventionell ausgeführt werden

• Parallele Ausführung verschiedener gekapselter Betriebssysteme

  • Parallelisierung kann entsprechend des Betriebssystem auf OS und Prozessebene erfolgen
  • Die VM selbst kann parallele IO Ausführung nutzen

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Systemvirtualisierung

Systemvirtualisierung

A Systemvirtualisierung (Abstraktion von Hardware) und Parallelisierung (1:1 Zuordnung einer VM Zone zu virtuellen Prozessor)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Systemvirtualisierung

Systemvirtualisierung

A Beispiel: Zwei Betriebssysteme werden auf virtualisierter Hardware (parallel) ausgeführt

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Compiler

Compiler

Klassischer Softwareentwurf mit Compiler und Linker (C)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Interpreter

Interpreter

Edit - Compile - Execute Zyklus bei einem Interpreter

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtuelle Maschine und Bytecode Interpreter

Virtuelle Maschine und Bytecode Interpreter

• Die Übersetzung des Quelltextes in Bytecode kann vor und während der Ausführung des Programms erfolgen!

• Bytecode kann privat und abstrakt sein (nur interne Datenstrukturen) oder öffentlich in kodierter Binär- oder Assemblerform.

• Ausführung des Bytecodes durch VM. Vorteile:

  • Unabhängig von Hostplattform
  • Virtuelle Maschine kann optimiert werden ohne dass der Bytecode neu erzeugt werden muss
  • Abstraktion der Speicherverwaltung (automatisches Speichermanagement)
  • Parallelisierung kann durch VM automatisch erfolgen (wenn möglich)
  • Abstraktion der IO Schnittstellen und Kommunikation
  • VM kann Bytecode zu Beginn der Ausführung oder zur Laufzeit dynamisch und nach Bedarf optimieren (JIT)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Virtuelle Maschine und Bytecode Interpreter

Virtuelle Maschine und Bytecode Interpreter

Python Vergleich Interpreter mit Bytcode Compiler-Interpreter System

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Bytecode Ausführung

Bytecode Ausführung

while not terminated do
  operation = decode(code[next])
  select operation.code of
    case OP1 => DO IT
    case OP2 => DO IT ..
  endcase
  compute next
  if scheduling point then yield endif
done

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Serialisierung

Serialisierung

• Da Bytecode unabhängig von der Hostplattform sein sollte, kann Bytecode einfach von einer Maschine zu einer anderen übertragen und ausgeführt werden

• Dazu ist eine Serialisierung von Daten und Code erforderlich (Flache Liste von Bytes), mit anschließender Deserialisierung (Wiederherstellung der Daten- und Codestruktur)

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Serialisierung

Serialisierung

A Serialisierung transformiert ein Objekt in ein implementierungs- und systemunabhängiges Format (a) für die Netzwerkübertragung (Text!) (b) für die persistente Speicherung

Stefan Bosse - VPP - Modul G Virtuelle Maschinen :: Serialisierung

Peter Cawley