並列処理と仮想マシン

一台のコンピューターが四十台の役割を果たす

• かつての企業は、それぞれのアプリケーションに対して物理サーバーを一台ずつ購入していた。メール用、ウェブサイト用、会計用などである。各サーバーは性能の約8%しか使用されていなかったが、ラックに設置され、冷却に必要な電力を全量消費していた。
• その後、サーバーは単なる機械ではなくファイルとなる。3台の物理ホスト上に40台の仮想マシンが動作しており、各虚拟机自身に専用のプロセッサ、メモリ、ディスクがあるかのように錯覚している。
• 節電効果だけでなく、仮想マシンはリスクのある変更前にスナップショットを取得でき、動作中に別のホストへコピーしたり、侵害された場合は破棄したりできる。
• この章のテーマは並列性と仮想マシンである。これら2つのシステムアーキテクチャの違い、そしてVMがもたらすコストと利点について学ぶ。

並列アーキテクチャの概要

• 並列性とは、多数のプロセシングエレメントが同時に動作することを意味する。Flynnの分類法ではその形状を定義しており、SIMDは多数のデータ項目に対し同じ命令を実行し、MIMDは異なるデータ項目に対し異なる命令を実行する。
• 大規模並列処理マシンはMIMDを数千のプロセッサまで拡張したもので、各プロセッサは独自の分散メモリを持ち、メッセージを通じて通信する。
• クロック周波数を上げるだけでは速度は向上しない（熱による限界がある）。代わりに一度に多くのことを行うことで速度が向上する。このページのすべてのアーキテクチャはこの課題に対する解答である。

異なる命令、異なるデータ、同時に

仮想マシンとは何か

• **仮想マシン（VM）**とは、计算机全体をソフトウェアエミュレーションするものである。内部で動作するソフトウェアは、現実のHardwareのように見えるが、ホストソフトウェアによって提供・管理されるプロセッサ、メモリ、ディスクを使用する。
• 2種類あり、試験ではこれらを区別します：システムVMは完全なゲストOSを実行し、プロセスVMは1つのプログラムのポータブルコードを実行します。
• いずれもより高速なマシンのエミュレーターではない。VMの目的は速度向上ではなく、隔离性とポータビリティである。

システムVM

• ハイパーバイザーとは、VMを作成・管理するソフトウェアであり、ホストの実際のプロセッサ、メモリ、ディスクを割り当てて各VMを互いに隔離する。
• 各VMは独自のゲストOSをブートするため、1台のホスト上でWindows、Linux、古いレガシーシステムなどを同時に動作させることができる。
• 用途：1台のマシンで異なるOSを動作させること、サーバー統合（多数の未活用な物理サーバーを1台のホストに置き換えること）、サンドボックス化（リスクのあるまたは信頼できないソフトウェアを隔離して動作させ、ホストへのアクセスを遮断すること）、スナップショットによる既知の状態へのロールバック。

多数の仮想マシンを格納するホストラック

プロセスVM

• プロセスVM（言語VMとも呼ばれる）は、ホストのマシンコードではなく、ポータブルなバイトコードで書かれた1つのプログラムを動作させる。Java Virtual Machine (JVM) と .NET CLR がその例である。
• 利点：ポータビリティ（バイトコードはVMが存在するあらゆる環境で動作するため、「一度書けばどこでも動作する」）、ランタイム安全性（VMがコードの挙動を検証する）、ホットコードの JIT コンパイル（ネイティブ指令に変換することで、長期間動作するプログラムがネイティブ速度に近づく）。
• コスト：プログラムとハードウェアの間に追加レイヤーが生じ、プログラムを動作させるには事前にVMをインストールする必要がある。

演習例：どの種のVMか

演習例：利点と制限

見落としやすいポイント

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