x86アーキテクチャは1台のコンピュータで複数のOSを同時に稼働させるようには設計されていない。複数のOSを同時に稼働させるには，ハードウエアとOSの間に，仮想化を実現する「仮想マシン・モニター（Virtual Machine Monitor:VMM）」と呼ぶソフトウエアを稼働させる必要がある。VMware製品やMicrosoftの「Virtual Server」，XenSourceの「Xen」などの代表的なVMMが，どのようにして複数OSの同時稼働を実現しているのか見ていこう。

　x86アーキテクチャの世界でも「仮想化」が注目されている。仮想化と一言で言っても，1台のコンピュータ上で複数の処理を実現するCPUの仮想化，ストレージの仮想化，ネットワークの仮想化など，様々な種類の技術があり，1台のコンピュータを仮想化によって分割するテクノロジは，約40年にもおよぶ歴史がある。x86アーキテクチャで現在注目されているのは，特にCPUの仮想化だ。

　CPUの仮想化を利用すると，1つのコンピュータ上で複数のOSを同時に稼働できる。同様な仕組みに「エミュレータ」があるが，仮想化はエミュレータとは異なる。

　エミュレータは，あるハードウエアのふりをするソフトウエア。エミュレータ上で稼働するソフトウエアが発行する機械語命令やハードウエア・アクセスを，CPUなど実際のハードウエアに代わって，エミュレータが処理する。そのため，例えばWindowsマシン上でPowerPC用OSやARM用OSを動かせるが，その処理性能は実機に比べて著しく低下する。

　それに対して仮想化技術では，その上で稼働するソフトウエアは，実機のCPUによって処理される。そのため，動かせるのは実機のCPUに対応したOSのみだが，実機に近い処理性能が出る。しかし，x86アーキテクチャは，1台のコンピュータで複数のOSを同時に稼働させるようには設計されていない。そのため，複数のOSを稼働させる仕組み（ソフトウエア）が必要である。ハードウエアとOSの間に，仮想化を実現する「仮想マシン・モニター（Virtual Machine Monitor:VMM）」と呼ぶソフトウエアを稼働させる。

　VMware製品やMicrosoftの「Virtual Server」，XenSourceの「Xen」といった「仮想化ソフトウエア」がVMMに当たる。それぞれ独自の仕組みによって，x86アーキテクチャ上で複数のOSを同時稼働させている。x86アーキテクチャで仮想化を実現する技術/ソフトウエアはほかにもあるが，ここでは代表的な上記製品を主に取り上げる。

　VMMの実装は，次のように分類できる。
（1）フル・バーチャライゼーション（バイナリ・トランスレーション）とパラバーチャライゼーション
（2）ホスト・ベースとハイパーバイザ
（3）純ソフトウエア・ベースとハードウエア・サポート

　それぞれ順に説明しよう。

通常のOSをそのまま仮想環境で稼働

　フル・バーチャライゼーションとは，ハードウエア上で直接動作することを前提に作られている一般のOSを，そのまま改変せずに，VMM上で動かす仮想化方式である。コンピュータに実装したメモリー容量やCPUの処理性能にもよるが，VMM上では，異なるOSを複数同時に稼働できる。VMware製品やVirtual Serverが代表的な製品である。

　既に述べたように，x86アーキテクチャは，1つのコンピュータ上で稼働するOSは1つだけだという前提で設計された。そのため，WindowsやLinuxといったx86アーキテクチャ用のOSはハードウエア資源を独り占めし，例えばメモリーや割り込みなどを独占的に管理する。このようなOSをそのまま複数同時に稼働させることはできない。

　そこでVMware製品は，x86アーキテクチャのCPUが備えるリング機構を利用する。リング機構とは，リング0（特権レベル0）からリング3（特権レベル3）までの4段階の特権レベルを規定した保護機構で，リング0以外で動作するソフトウエアが特権命令を発行すると例外（フォルト）が発生する。その例外は，リング0のソフトウエアによって処理可能である。このとき例外を処理するルーチンを「例外ハンドラ」，特に「フォルト」を処理するルーチンを「フォルト・ハンドラ」と呼ぶ。

　例えば，CPUが備えるメモリー管理用テーブルを操作する命令は特権命令である。一般にはOSのカーネルがリング0で動作し，このような特権命令を発行する。それに対してアプリケーション・ソフトウエアはリング3で動作する。

CPUの保護機構を利用

　このようなCPUの保護機構を利用して，一般のOSをそのまま，複数同時に稼働させる仕組みをバイナリ・トランスレーションと呼ぶ。具体的には，VMMをリング0，OSをリング1で動作させ，OSが発行した特権命令をVMMのフォルト・ハンドラがキャッチし，処理する（図1）。

図1●バイナリ・トランスレーションとパラバーチャライゼーションの仕組みの違い
図1●バイナリ・トランスレーションとパラバーチャライゼーションの仕組みの違い

　ただし，これだけでは複数のOSを同時に動かせない。例えばメモリーの割り当てやハードウエア・アクセスなどを調停する必要がある。そのため，メモリーに関しては，コンピュータに実装されているメモリー（マシン・メモリー）をVMMが管理し，その一部をVMM上で動作する各OS（「ゲストOS」と呼ぶ）に割り当てる。ゲストOSは，割り当てられたメモリーが物理メモリーだと思い込んで動作する。

　実機でアプリケーションがメモリーにアクセスする場合，アプリケーションが管理している仮想アドレスは，セグメントやページングが処理され，リニア・アドレスを経て，物理アドレスに変換された上でアクセスされる。だが仮想環境では，ゲストOSがアクセスしようとしている物理アドレスは，VMMによって割り当てられたマシン・メモリーの一部である。そのため，さらに，マシン・メモリーのアドレスに変換する必要がある。この変換はVMMが担っており，仮想化でのオーバーヘッドが大きい処理の1つだ。仮想環境の処理性能低下の一因になっている。