虛擬機技術在計算機教育中的應用

摘要:計算機教育面臨著軟件和硬件快速變化的挑戰，該文探討了虛擬機技術在應對這個挑戰中的重要作用，分析了虛擬機的應用目的，從應用角度對虛擬機進行了分類。根據分類，詳細探討了虛擬機技術在計算機教育中的應用策略和典型方法。

關鍵詞:虛擬機;計算機教育;應用策略

中文分類號: TP391.9 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6924-02

Virtual Machine Technology Applied in Computer Education

ZHANG Li-bing

(School of Mathematics and Computer Science， Harbin University， Harbin 150086，China)

Abstract: Computer education is facing the challenge as software and hardware fast change. This paper discusses the virtual machine technology which plays an important role in the challenge， analyzes the application purpose of the virtual machine with a classification from application perspective， introduces the strategies and typical methods in detail according to the classification.

Key words: virtual machine; computer education; application strategies

很少有哪項技術能像計算機技術的發展一樣迅速，在過去的六十幾年里，其變化速度達到了驚人的程度。然而，由于量子力學對電子的作用等，晶體管尺寸不可能無限制地小下去，狹義上的摩爾定律將逐漸失效并在十幾年內走到盡頭。[1]盡管如此，其他造成硬件變化的因素依然顯著，典型如多核技術、新型存儲技術等。伴隨軟件和硬件發生的顯著變化，計算機知識總量亦呈爆炸性增長。對于計算機教育來說，其間的挑戰尤其強烈，教學中不僅需要滿足眾多課程對軟、硬件的不同要求而且每門課程在其整個教學階段內對軟件和硬件的要求也往往是不同的。常規情況下，復雜、異構的軟、硬件環境的建立與維護意味著大量人力、物力、資金的投入。近年來，虛擬機技術的重要作用逐步顯現，本文從該技術應用角度，探討解決上述問題的具體應用策略和方法。

1 虛擬機技術

虛擬機是源自操作系統中的概念，起初定義為由軟件模擬的、有效的、孤立的真實機器的復制品。從上述角度，操作系統亦可被看作是一臺虛擬機。作為操作系統結構的一種，VM/370是早期的一個實例。當前，虛擬機的概念發生了較大變化，存在和任何真實機器無關的虛擬機，一些著作闡述了此類虛擬機的設計與實現方法。[2]

虛擬機原理復雜多樣，和虛擬機設計目標有很大關系。但總體上可以認為虛擬機是新增加的一個軟件中間層。本文從應用角度對虛擬機進行分類:

1)高級語言虛擬機。這類虛擬機一般運行在某宿主操作系統之上，對自定義的字節碼文件進行解釋或翻譯執行(又分靜態和動態兩種)，屬于與真實機器無關的虛擬機，運行其上的程序實現了平臺無關性。舉例:Sun公司的Java虛擬機JVM、微軟公司的公共語言運行庫CLR。

2)指令集虛擬機。這類虛擬機的應用目的一般是為了執行某種和宿主計算機體系結構不同的其他體系結構指令集ISA(Instruction Set Architecture)。舉例:Armulator仿真ARM指令集、Bochs仿真Intel x86指令集。

3)應用程序虛擬機。由于虛擬機所處的層次較高，應用目的一般只為支持應用程序的執行。舉例:Cygwin通過仿真POSIX API支持在Windows下運行Unix/Linux的應用程序。Wine通過仿真應用程序二進制接口ABI支持在Linux下運行Windows的應用程序。

4)系統虛擬機。其應用目的一般是為了運行某操作系統下的所有應用程序，因此通常支持某個或多個操作系統的運行。舉例:VMware Workstation、Virtual PC。另外，眾多的手機、游戲機等的模擬器也可歸為這一類。

5)企業級虛擬機。其應用目的一般為服務器資源整合優化、虛擬機在線遷移、數據中心管理等。舉例:VMware ESX Server、VMware Infrastructure、Xen。

虛擬機的分類可以從多個角度、按不同的標準進行。前述劃分不是絕對的劃分，其中往往又有一些交叉性。當前，業界及一些文獻使用了虛擬化(Virtualization)的概念，這個概念沒有標準的定義，在企業級虛擬機這一級別被經常使用。虛擬機、虛擬化技術在應用的深度和廣度上不斷增長，在未來的CPU技術中，指令集支持虛擬化功能是一個重點。[3]

2 虛擬機應用策略和典型方法

本文以高校計算機教育為例進行分析和闡述，參考了大學非計算機專業計算機基礎教育要求和計算機專業規范及課程設置情況。根據虛擬機的應用分類，可采取的虛擬機總體應用策略是:使用虛擬機模擬某些真實硬件，達到替代的作用，降低計算機教育中的硬件成本，降低硬件維護費用和復雜性;在虛擬機中運行各個時期的軟件，使各個時期的計算機關鍵技術得以呈現，適應計算機軟、硬件快速變化。下面按照虛擬機的應用分類，結合計算機課程實際情況，詳細說明虛擬機的應用策略和典型方法:

1)高級語言虛擬機。計算機基礎教育及專業教育中，程序設計語言的教學應逐步推廣基于虛擬機的語言，提高這類語言的教學基礎地位。掌握這類語言最大的好處是獲得平臺獨立性，所編寫程序生成的字節碼處于較高層次，字節碼的執行不依賴于具體的計算機CPU類型和操作系統，極大地增強了通用性。這個好處將延伸到Web開發、分布式應用、嵌入式系統應用、無線技術以及未來無數跨平臺應用中。在代碼移植性上，使用基于虛擬機的語言亦具有優勢，對于大的項目，在新的體系架構不支持該語言時，只需要移植虛擬機本身即可，可降低多個代碼數量級。同時，由于字節碼不是針對硬件的具體機器碼，所編寫的程序在安全性、健壯性等方面也具有優勢。

2)指令集虛擬機。使用指令集虛擬機而不必真正擁有異構硬件，將獲得極大的方便性并可節約教學資金、降低設備維護費用等。直接相關的課程舉例:計算機體系結構、計算機組成原理、操作系統、匯編語言、嵌入式系統、單片機技術、接口技術等。典型應用:虛擬機技術使硬件開發和軟件開發并行進行，可以縮短工程周期、降低開發成本;虛擬機軟件為操作系統軟件的調試創造了條件，具有特殊重要的意義;細粒度虛擬機在處理器體系結構設計、高性能計算機系統的設計和評估中起到廣泛而重要的作用。

3)應用程序虛擬機。這類虛擬機使用最為簡便，可在一個操作系統中直接仿真使用另外一個操作系統中的應用程序，在要求較低的情況下可以普遍使用。典型應用:通過Cygwin的支持，在Windows下運行移植后的GNU工具或其他程序進行嵌入式開發(例如在Intel x86平臺下使用交叉編譯工具開發ARM應用)。

4)系統虛擬機。這種虛擬機使用場合最為廣泛，可以在幾乎所有的計算機類課程中得到應用。在實驗教學、理論教學演示等各個方面起到重要作用。一些系統虛擬機可兼具應用程序虛擬機及指令集虛擬機的好處。典型應用:

操作系統相關教學。操作系統安裝與配置、操作系統原理教學、典型操作系統結構分析、Unix/Linux操作與管理教學、網絡操作系統教學等。通過系統虛擬機可以在一臺計算機上同時運行多個操作系統，比安裝多操作系統方便、快捷。

編程與測試。分布式程序設計與測試、異構環境的測試、Web測試、Unix/Linux下的程序設計、集群測試、數據庫性能測試、兼容性測試等。通過使用虛擬機，提供了極大的方便性，提高了計算機的利用效率。

網絡實驗。服務器及網絡設備的安裝與配置、遠程訪問、模擬交換機、路由器等網絡設備、模擬網絡拓撲規劃與子網劃分、模擬FTP、DNS等網絡服務、局域網訪問控制實驗、各種VLAN實驗、TCP/IP協議簇實驗等。上述網絡實驗對網絡軟、硬件條件要求較高，在虛擬機上完成上述實驗，可擺脫對某些昂貴網絡軟、硬件的依賴，極大地降低網絡實驗成本。[4]

計算機安全實驗。網絡監聽、網絡攻擊與防護、木馬及病毒原理研究、防火墻實驗、加密與解密實驗、黑客程序的分析等。通過使用系統虛擬機實現上述功能，可以起到隔離本機環境的作用，從而避免對真實環境造成危害，在計算機安全學習與研究上具有特殊意義。

計算機維護與管理實驗。系統管理工具的使用、多操作系統安裝、BIOS設置、磁盤分區與格式化、注冊表修改、系統環境破環性實驗、系統備份與恢復實驗等。這些實驗對本機系統改變較大，具有一定危險性，系統虛擬機為這類實驗創造了難得的條件。

手機平臺模擬。手機平臺已經演變成為當今最為廣泛的平臺，在其他平臺上(如PC平臺)使用各種手機模擬器開發、測試、運行手機平臺程序是常見的手段。舉例:使用附帶模擬器的WDK (Wireless Toolkit)無線開發工具開發J2ME MIDP應用等。

運行早期操作系統上的某個程序。這實際上是對其他不容易分類情況的一種通用提法，具有更大應用的背景。通過建立獨立的虛擬機，配置一次后，保存虛擬機文件以備日后加載運行(如VMware中)。這種方法極大地降低了軟、硬件維護的復雜性，具有廣泛的通用性。

5)企業級虛擬機。學校實驗中心、網絡中心、數據中心可逐步開展企業級虛擬機的應用。這項技術具有較好的應用前景，能夠整合優化服務器資源、提高服務器利用率、降低維護費用、降低能耗等。該項技術的使用和學校整體網絡環境、硬件環境的改善密接相關，可以從多個方面促進計算機教學。

3 結束語

虛擬機技術可以為改善計算機教育環境、有效地滿足計算機教學軟件與硬件需求起到不可替代的重要作用，可以讓各個歷史時期、不同平臺下的計算機技術得以呈現和展示，具有神奇的力量。盡管本文以大學計算機教育為例，但闡述的策略和典型方法對各類各級計算機教育都有借鑒作用，整個計算機教育界都應該充分認識、利用和推廣虛擬機技術。

參考文獻:

[1] Bill Blunden.虛擬機的設計與實現-C/C++[M].北京:機械工業出版社，2003.

[2] Andrew S.Tanenbaum.現代操作系統(第2版) [M].北京:機械工業出版社，2005.

[3] 劉真.虛擬機技術的復興[J].計算機工程與科學，2008，30(2):105-106.

[4] 王永.虛擬機在高校計算機教學中的應用[J].電腦知識與技術，2006(32).