在苹果 M 系列芯片的 Mac 上运行虚拟机，究竟有何不同?

在搭载了苹果芯片的Mac上运行macOS虚拟机的做法似乎并不流行，但长期以来这一直是苹果的重要目标之一。然而，如果在搭载了苹果芯片的Mac上使用虚拟化器（virtualiser），你就会发现这与在使用英特尔芯片的Mac上虚拟化macOS以及其他操作系统有很大不同。本文将解释为什么虚拟化如此重要，以及为什么苹果的虚拟化如此不同。

让我们回到2020年6月的WWDC大会上，Craig Federighi公布了有关苹果芯片的详细信息，并明确了支持这些新Mac上丰富多样的软件的三大支柱：能够在两种体系结构上运行的通用应用、将英特尔代码翻译成Arm指令的Rosetta 2，以及虚拟化。

当时，苹果甚至还没有发布开发人员转换工具包，Andreas Wendker就演示了Parallels Desktop的预发布版本，能在虚拟机中运行Linux，但并没有提到Windows。

尽管在苹果芯片上运行的第一版macOS（Big Sur）并不支持轻量级虚拟化（后来Monterey开始支持），但这版macOS引入了苹果所说的虚拟化扩展（Virtualization Extensions），这实际上是Arm的AArch64虚拟化实现。

在早期，有两类完全不同的虚拟化。第一类在计算机硬件上直接运行hypervisor（虚拟化器的核心）。第二类，又称作“托管”（hosted），硬件之上运行的是宿主操作系统，而hypervisor运行在宿主操作系统之上，或与其密切结合，并向虚拟操作系统提供相同范围的服务。宿主操作系统可以同时运行多个hypervisor，每个hypervisor又可以运行多个虚拟系统，但最终都会汇聚到宿主操作系统及其内核上。这在桌面系统上更为常见，包括VMware Fusion、Parallels Desktop和Oracle VirtualBox等热门产品。

在hypervisor拥有硬件支持的情况下，无修改运行虚拟操作系统会变得非常简单。采用这种方法的hypervisor可以使用英特尔的VT-x特性集，通常包括扩展页表（EPT）和非限制模式，或者使用Arm处理器的AArch64虚拟化。这种方法依然有设备支持的问题，但这些问题可通过虚拟化器来解决，或者可以在更高级别的虚拟化框架中提供支持。多年来，经过许多工程师的努力，运行在英特尔硬件上的虚拟化器（包括Mac）已获得广泛的设备支持，我们在英特尔的Mac上虚拟化macOS时也需要依赖这些技术。

苹果芯片上的每个硬件设备都与英特尔Mac中的相应设备不同。即使苹果为了方便外部使用而整理出完整的文档，在苹果芯片上实现等同于英特尔Mac所需的工作量对于第三方来说也过于庞大。因此，从某个hypervisor着手，并寄希望于其他人构建一个完整的虚拟化器是不可行的，也不太可能实现苹果以及用户期望的高性能。而苹果的做法是在macOS中构建设备支持，以Virtio驱动的形式。

Virtio是Rusty Russell最初开发的一种标准，提供了I/O设备之上的一个抽象层。例如，当虚拟操作系统调用打开文件时，命令会传递给前端Virtio存储设备para-driver，然后再传递给与存储设备交互的Virtio后端驱动程序。尽管看似与传统的虚拟化相比，这种方式效率较低，然而实际的效率却很高。这种方法最显著的优势在于，创建一个虚拟化应用只需配置和打开所需的Virtio设备，然后由虚拟系统、Virtio和宿主自行处理。使用苹果Virtualisation框架的应用就是如此实现的。

毫无疑问，苹果选择Virtio的原因是Linux已经有了很好的Virtio支持，但那个时候macOS还没有。在Monterey发布之前的几年里，苹果的工程师们开始在macOS中构建Virtio支持，这就解释了为什么macOS轻量级虚拟化只能在Monterey及更高版本的主机上和运行Monterey及更高版本的虚拟机中使用。macOS中（无论是作为客户端还是主机）还有各种扩展支持，包括键盘和指向设备、共享剪贴板以及Metal和GPU支持的高性能图形等。

在Virtio模型中，提供这种支持是操作系统的任务，而不是虚拟化器的任务。对于VMware和Parallels等供应商来说，这不仅降低了开发成本，还降低了其产品的商业价值。他们无法去改进或加速图形支持，因为这是由Virtio或其他等效实现在虚拟操作系统和宿主操作系统中提供的特性决定的。因此，有权决定苹果芯片支持什么硬件和特性的苹果就有了话语权，而苹果ID访问VM的困难也正源于此。

另一方面，这确保了虚拟机中的最佳性能。虚拟机的CPU和GPU代码直接在主机上运行，Virtio设备的性能也接近主机。

苹果得到的回报是macOS未来的灵活性。在当前macOS支持Rosetta 2之后的很长一段时间里，如果用户想运行仅支持英特尔的应用，则只需在虚拟机中运行旧版本的macOS，而搭载了新款苹果芯片的Macs想运行与其macOS最低版本不兼容的软件也可以采用这种方法。使用Linux或macOS的开发人员可以分发类似Docker的轻量级虚拟机包。

现阶段，虚拟化看似是少数人的追求。然而随着轻量级虚拟化和Virtio的发展，未来几年内这种形式可能会发生变化。