VM

Als virtuelle Maschine (VM) wird in der Informatik die Software-technische Kapselung eines Rechnersystems innerhalb eines lauffähigen Rechnersystems bezeichnet. Die virtuelle Maschine bildet die Rechnerarchitektur eines real in Hardware existierenden oder eines hypothetischen Rechners nach.[1] Es werden zwei Arten virtueller Maschinen unterschieden.

Systembasierte virtuelle Maschinen bilden einen realen Rechner so vollständig nach, dass Betriebssysteme, die für ihn entworfen wurden, sich auf der virtuellen Maschine genauso wie auf dem entsprechenden realen Rechner ausführen lassen.[2] Beispiele für bekannte Produkte oder Komponenten, die systembasierte virtuelle Maschinen realisieren, sind VMware Workstation sowie vSphere von VMware bzw. Broadcom, VirtualBox von Oracle, Parallels Desktop for Mac von Parallels, Xen von Citrix, Hyper-V in Windows und KVM in Linux.

Prozessbasierte virtuelle Maschinen erlauben lediglich, einzelne Programme abstrahiert von der Ausführungsumgebung einer realen Rechnerarchitektur auszuführen, indem sie eine darauf aufbauende Laufzeitumgebung bereitstellen.[3] Meist werden solche virtuellen Maschinen für mehrere reale Rechnerarchitekturen bereitgestellt, so dass die Anwendung nur einmal compiliert werden muss, wodurch Bytecode für eine hypothetische Rechnerarchitektur entsteht, der dann durch den Interpreter oder Just-in-time-Compiler der unterschiedlichen virtuellen Maschinen auf allen realen Plattformen ohne Änderung ausgeführt werden kann. Bekannte Beispiele solcher Umgebungen mit entsprechenden virtuellen Maschinen sind die Java-Laufzeitumgebung als Teil der Java-Plattform und die Common Language Runtime (CRL) als Teil des .NET Frameworks.

Der zugrunde liegende Ansatz wird auch als vollständige Virtualisierung bezeichnet.[4] Er basiert im Wesentlichen auf der von Robert Goldberg gegebenen und von Gerald Popek 1972 noch enger gefassten Definition:

Zur Unterscheidung zwischen realen Rechnern und der auf ihnen ausgeführten virtuellen Maschinen werden diese einerseits Gastgeber, Wirt oder Host und andererseits Gast genannt.[6][7][8]

Systembasierte virtuelle Maschinen werden direkt auf der CPU des Gastgebers ausgeführt und nutzen üblicherweise deren Virtualisierungsfunktionen, beispielsweise die der x86-Prozessoren. Dagegen wird bei Emulatoren die Ausführung rein als Software realisiert, wodurch auch eine andere Rechnerarchitektur als die des Gastgebers nachgebildet werden kann.

Die abstrahierende Schicht zwischen realem oder Host- bzw. Wirt-Rechner, auf dem die virtuelle Maschine ausgeführt wird, und der virtuellen Maschine wird Hypervisor oder Virtual Machine Monitor genannt. Sie erlaubt in der Regel den gleichzeitigen Betrieb mehrerer virtueller Maschinen auf einem physischen Rechner, übernimmt die Erstellung und Verwaltung der virtuellen Maschinen und verteilt im Betrieb die Hardware-Ressourcen derart, dass für jedes einzelne Gastbetriebssystem alle Ressourcen bei Bedarf verfügbar sind, so, als ob nur ein Betriebssystem vorhanden wäre.

In seiner Doktorarbeit „Architectural Principles for Virtual Computer Systems“[9] von 1973 unterscheidet R. Goldberg zwei Typen von Hypervisoren:

• Ein Typ-1-Hypervisor (native oder bare-metal) setzt direkt auf der Hardware auf und benötigt keine vorherige Betriebssystem-Installation. Das setzt allerdings voraus, dass die Hardware des Hostsystems vom Typ-1-Hypervisor durch entsprechende Treiber unterstützt wird.
• Ein Typ-2-Hypervisor (hosted) setzt auf einem vollwertigen Betriebssystem auf dem Hostsystem auf und nutzt die Gerätetreiber des Betriebssystems, um auf die Hardware des Hostsystems zuzugreifen. Typ-2-Hypervisoren sind daher auf allen Hostsystemen lauffähig, auf denen vom Hypervisor unterstützte Hostbetriebssysteme lauffähig sind.

Einige Virtualisierungen (z. B. KVM und Hyper-V) nutzen hybride Hypervisoren, die Funktionen von Typ-1- und Typ-2-Hypervisoren kombinieren.

Systembasierte virtuelle Maschinen werden u. a. in folgenden Anwendungsszenarien eingesetzt:

• Desktop-Virtualisierung,
• Servervirtualisierung,
• Rezentralisierung und
• Eingebettete Systeme

Der Einsatz systembasierter virtueller Maschinen bietet gegenüber der direkten Ausführung von Betriebssystemen auf dem Rechner einige Vorteile:

Allerdings „erkauft“ man sich diese Vorteile auch mit einigen Nachteilen, die sich gegenüber direkter Ausführung des Betriebssystems auf dem Rechner ergeben:

Aus IBMs Anstrengungen, ein robusteres Time-Sharing auf seinen Großrechnern zu ermöglichen, resultierte der erste Hypervisor und die ersten systembasierten virtuellen Maschinen. Die 1964 gegründete Projektgruppe entwickelte dafür CP-40/CMS, das aus dem Hypervisor Control Program (CP) sowie dem Einzelbenutzerbetriebssystem Cambridge Monitor System (CMS) für die virtuellen Maschinen bestand und auf ein durch zusätzliche Hardware zur Übersetzung von Speicheradressen modifiziertes System/360 Model 40 lief. Dieser Rechner und das ab 1967 produktiv im Forschungsbetrieb eingesetzte System/360 Model 67 mit CP-67/CMS unterstützten so erstmalig die vollständige Virtualisierung und erlaubten mehreren Benutzern gleichzeitig auf einem physischen Rechner jeweils ein eigenes Einzelbenutzerbetriebssystem in einer virtuellen Maschine unabhängig zu nutzen.[10][11][12]

In ihrem Artikel Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures von 1974 legten Gerald J. Popek and Robert P. Goldberg die formalen Grundlagen und stellen die grundlegenden Anforderungen an eine Architektur dar, um virtuelle Maschinen mit Hilfe eines Hypervisors zu unterstützen.[5]

Während Motorola bereits 1983 mit Motorola 68010 den ersten Virtualisierung unterstützenden Prozessor u. a. für Heimcomputer, PCs und Workstations auf den Markt brachte (weite Verbreitung erlangte aber erst ein Jahr später die Motorola-68020-CPU), dauerte es noch 22 Jahre bis Intel mit den Prozessoren Pentium 4 „Prescott“ 662 und 672 sowie Xeon „Paxville“ und der in ihnen integrierten Virtualisierung VT-x (zunächst Vanderpool genannt) nachzog.[13][14] AMD folgte 2006 mit der zu VT-x inkompatiblen Virtualisierungstechnik AMD-V (anfangs „Pacifica“ und anschließend „AMD Secure Virtual Machine“ genannt) für die damals aktuellen Revisionen des AMD Opteron (Revision F, vierstellige Serien 1000, 2000 und 8000), AMD Athlon 64 FX-62 und Athlon 64 X2 (Windsor-Kerne, Serien 4000+ bis 5200+) sowie AMD Turion 64 X2. Zwei Jahre später brachte VIA die CPU VIA Nano, bei der ab Stepping 3 das zu VT-x kompatible VIA VT aktiviert war.

Prozessbasierte virtuelle Maschinen werden u. a. in folgenden Anwendungsszenarien eingesetzt:

• Entwicklung und Einsatz plattformunabhängiger Anwendungen („Write Once, Run Anywhere“),
• Dynamische Webseiten, Webanwendungen und Apps im Webbrowser oder auf einem Smartphone,
• Eindämmung von Schäden durch Malware oder Programmfehler (während der Entwicklung) mittels Sandboxing,
• Smart Contracts, d. h. Programme, die beispielsweise auf einer Blockchain ausgeführt werden, und
• Wahrung der Abwärtskompatibilität, d. h. Einsatz von älterer Software, die vor dem Wechsel einer Rechnerarchitektur (z. B. von der 32- oder 64-Bit-x86-Architektur auf Apple M1, M2 oder M3 beim Macintosh) entwickelt wurde.

Der Einsatz von prozessbasierten virtuellen Maschinen bietet folgende Vorteile:

• Plattformunabhängigkeit: Programme für eine virtuelle Maschine laufen auf allen physischen Maschinen, für die die virtuelle Maschine implementiert ist.
• Dynamische Optimierung ist möglich

Der Einsatz von prozessbasierten virtuellen Maschinen hat folgende Nachteile:

• Die Ausführung eines portablen Programms auf einer portablen virtuellen Maschine ist langsamer als die native Ausführung eines Programms, das speziell für die Zielumgebung übersetzt wurde.
• Bei Verwendung eines Interpreters ergeben sich zusätzliche Indirektionen, was ineffizienter ist als direkte Ausführung.
• Dynamische Übersetzung zur Laufzeit (JIT-Compiler) löst zwar die meisten Indirektionen auf und sorgt für großteils direkte Ausführung, jedoch erfordert die Übersetzung selbst zusätzlichen Aufwand, bis der Code direkt ausgeführt werden kann (jedoch nur im Moment der Übersetzung, nicht mehr bei späteren Durchläufen).

Diese Nachteile können durch geeignete (z. B. dynamische) Optimierung verringert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die automatische Kompilierung mittels Ahead-of-time-Compiler unmittelbar vor der Ausführung. Damit wird das Backend eines hochoptimierenden, maschinenorientierten Compilers unmittelbar auf dem Anwendersystem ausgeführt. Dadurch kann der Compiler noch spezifischere Optimierungen für das System des Anwenders vornehmen als es bei einem vorkompilierten Programm ohne spezielle Optimierungen für das System bzw. den Prozessor des Anwenders möglich wäre.

Die Geschichte der prozessbasierten virtuellen Maschinen begann mit dem bahnbrechenden Aufsatz Transportability of Software Applications on Microcomputers von W. Wellbourne (1983) und der vorausgegangenen Arbeit A Comparison of Pascal Intermediate Languages von P. Nelson (1979).[15] Es geht hier um die Lösung des Problems, Anwendungscode, der für eine Rechnerarchitektur entwickelt wurde, ohne Änderungen auf einer anderen Rechnerarchitektur auszuführen. Insbesondere um den Portierungsaufwand für Anwendungen von einer Architektur zu anderen (z. B. neuen Rechnerarchitekturen) gering zu halten.

• x86-Virtualisierung
• Liste von Virtualisierungsprodukten
• Rootkit#Virtualisierungs-Rootkits

• Iain D. Craig: Virtual Machines. Springer, 2006, ISBN 1-85233-969-1, 269 Seiten

• Pascal-P-Code-Maschine. (das p-System war auch ein komplettes Betriebssystem – englisch)
• Virtual Private Server (Weiterführender Artikel über Virtual Private Server)

1. ↑ Hans-Jürgen Siegert, Uwe Baumgarten: Betriebssysteme. Oldenbourg, 2007, ISBN 3-486-58211-9, S. 270
2. ↑ James E. Smith, Ravi Nair, Virtual Machines: Versatile Platforms For Systems And Processes, Morgan Kaufmann, Mai 2005, ISBN 1-55860-910-5, S. 8.
3. ↑ James E. Smith, Ravi Nair, Virtual Machines: Versatile Platforms For Systems And Processes. Morgan Kaufmann, 2005, ISBN 1-55860-910-5, S. 10
4. ↑ @1@2Vorlage:Toter Link/electures.informatik.uni-freiburg.deVorlesung Systeme I – Kapitel 2 – Seite 2 eLecture Uni Freiburg (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im März 2018. Suche im Internet Archive)
5. ↑ ^{a b} Gerald J. Popek, Robert P. Goldberg: Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures. In: Communications of the ACM. 17. Jahrgang, Nr. 7, 1974, S. 412–421, doi:10.1145/361011.361073 (englisch). 
6. ↑ Christoph Arnold, Michel Rode, Jan Sperling, Andreas Steil: KVM Best Practices – Virtualisierungslösungen für den Enterprise-Bereich. 1. Auflage. dpunkt-Verlag, 2012, ISBN 978-3-89864-737-3, 1.1 Was ist Virtualisierung?, S. 3 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).  „Diese Hardwareressourcen werden von einem Wirtsystem, dem Host, bereitgestellt und von der verwendeten Virtualisierungslösung transparent an die virtuellen (Gast-)Systeme verteilt.“
7. ↑ Hans-Jochen Schneider (Hrsg.): Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung. 4., aktualisierte und erweiterte Auflage. R. Oldenbourg Verlag, 1998, ISBN 3-486-24538-4, S. 962, Wirtsystem (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
8. ↑ Christoph Prevezanos: Computerlexikon 2012. Markt+Technik Verlag, 2011, ISBN 978-3-8272-4728-5, S. 921, VM (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).  „Eine Virtuelle Maschine stellt auf einem Wirtsystem eine virtuelle Laufzeitumgebung zur Verfügung, in der ein Gastsystem auf der Hardware des Wirtsystems ausgeführt werden kann.“
9. ↑ Robert P. Goldberg: Architectural Principles for Virtual Computer Systems. 1. Februar 1973 (dtic.mil [abgerufen am 24. Januar 2017]).  Architectural Principles for Virtual Computer Systems (Memento vom 24. Januar 2017 im Internet Archive)
10. ↑ R. J. Creasy: The origin of the VM/370 time-sharing system. (PDF; 900 kB) In: IBM Journal of Research & Development, Vol. 25, No. 5 (September 1981), S. 483–490 – perspective on CP/CMS and VM history by the CP-40 project lead, also a CTSS author
11. ↑ Tom Van Vleck: The IBM 360/67 and CP/CMS. In: multicians.org. Tom Van Vleck, 15. Dezember 2010, abgerufen am 22. September 2026 (englisch). 
12. ↑ z/VM History: Timeline. In: ibm.com. IBM, abgerufen am 22. September 2026 (englisch). 
13. ↑ Christof Windeck: Intel stellt Desktop-PC-Prozessoren mit Virtualisierungs-Funktionen vor. In: heise.de. Heise Medien GmbH & Co. KG, 14. November 2005, abgerufen am 22. September 2026. 
14. ↑ Eric Bangeman: Vanderpool comes to the desktop. In: arstechnica.com. Condé Nast, abgerufen am 22. September 2026 (englisch). 
15. ↑ Ferenc Bator: Virtuelle Maschinen (Memento vom 25. April 2014 im Internet Archive) 2005