这个周末看了一篇关于快速克隆 Virtual Machine（VM）的文章，SnowFlock: Rapid Virtual Machine Cloning for Cloud Computing。SnowFlock 是 University of Toronto 的一个项目，核心想法是把 Unix 操作系统中 fork 的概念引入到云计算，不过不是用来 fork 进程，是 fork 虚拟机，这个 fork 与原始的 Unix fork 有几点不同：

1、VM fork 可以 fork 到其他物理机器上，Unix fork 只能在本机操作系统内 fork；
2、parallel fork，一次 fork 调用可以创建多个 child VMs；
3、VM fork 从 parent VM 那里复制所有的进程和线程。

SnowFlock 从不同的物理机器上 fork 出相同的 VM，这些 VMs 连在一起构建一个私有 cluster，拥有自己的虚拟网络。SnowFlock 根据计算的需要分配计算资源，从众多的物理机器中创建一个合理大小的 Xen VM Cluster，由这个 cluster 来完成目标计算，完成计算后，这个 cluster 就自动消失了。

把 Unix 中的 fork 概念用到云计算 VM 克隆中是个很有意思的想法，SnowFlock 如何做到快速克隆呢？做到 fork 并不难，最土的想法就是 fork 时利用虚拟机的 suspend/resume 功能，把 VM suspend 后将整个 VM 文件拷贝到别的机器上然后 resume 运行。但是这个过程太慢，在 VPSee 的 Mac 上 suspend 一个 vmware 虚拟机大概需要 30秒，又需要另外 30秒 resume。SnowFlock 克隆 VM 只需要不到1妙，它是如何做到这点的？

1、VM 文件里包含 memory image，disk image，各种状态、配置信息等，SnowFlock 只复制必要的状态信息（VM descriptor），这样就不必复制包含整个操作系统在内的 VM 文件，如果 disk image 设的是 10GB，那就不必复制 +10GB。Memory-On-Demand 允许 child VM 只在需要某个 memory 页面的时候才去 parent VM 那里克隆，可以在 fork 后进行，减少了初始克隆 VM 的体积；
2、VM 克隆的时候不必克隆所有的 memory image，只需要原始 image 中一小部分信息（Memory State），这又减少了需要克隆的体积；
3、child VM 可以在 fork 到其他机器上后再分配内存。如果先分配内存会造成 memory image 过大，影响克隆速度。如果 parent VM 分配了页面，比如 malloc，但是还没有用到这些页面、没有数据的话这些页面也用不必克隆到 child VM。还有一些可以循环使用的 kernel buffer 也不必克隆，，进一步减少克隆体积；
4、child VM 通常执行类似的代码和数据结构，如果 fork 多个 VMs 的话有助于 multicast；
5、把数据 multicast 给多个 VMs，只要有1个 VM 请求页面，这个页面也会被 multicast 给其他 VMs。一次操作就把数据分发给所有 VMs 还可以减少网络负载。

简单的说就是，尽可能减少 VM 携带的信息量来达到快速克隆的目的，这篇论文指出只需要克隆原 VM 0.1% 的信息就足够运行一个 child VM 了。SnowFlock 在 Xen 3 上实现了上述快速克隆的概念，具体实现过程很复杂，如有兴趣可参考论文和代码。SnowFlock 实现的简单图示：

（图片来自 SnowFlock 官方网站和资料。）