虚拟机比物理机慢多少，虚拟机比物理机慢多少

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本文目录导读：

1. 虚拟机与物理机的基本原理
2. 影响虚拟机速度的因素
3. 性能测试对比
4. 不同应用场景下的性能差异
5. 优化虚拟机性能的方法

《探究虚拟机与物理机的速度差异：虚拟机比物理机慢多少？》

在当今的信息技术领域，虚拟机（Virtual Machine，VM）和物理机（Physical Machine）都有着广泛的应用，虚拟机是通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统，而物理机则是实实在在的硬件设备，如我们常见的台式电脑、服务器等，在很多场景下，用户会发现虚拟机的运行速度似乎比物理机慢，那么到底虚拟机比物理机慢多少呢？这是一个复杂的问题，受到多种因素的影响，本文将深入探讨这个问题。

虚拟机与物理机的基本原理

（一）物理机

物理机由硬件组件构成，包括中央处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘（Hard Disk）、主板、显卡等，这些硬件组件直接与操作系统交互，操作系统直接管理和控制硬件资源的分配和使用，当用户启动一个应用程序时，操作系统会将相应的指令发送到CPU，CPU从内存中读取数据并进行处理，处理结果再存储回内存或者写入硬盘等操作。

（二）虚拟机

虚拟机依赖于虚拟机软件（如VMware、VirtualBox等），这些软件在物理机的操作系统之上运行，虚拟机软件模拟出虚拟的硬件环境，包括虚拟CPU、虚拟内存、虚拟硬盘等，然后在这个虚拟的硬件环境中安装和运行操作系统，当虚拟机中的操作系统或应用程序运行时，它们发出的指令首先被虚拟机软件截获，虚拟机软件再将这些指令转换为对物理机硬件资源的请求，这种间接的资源访问方式是导致虚拟机性能可能低于物理机的一个潜在因素。

影响虚拟机速度的因素

（一）硬件资源共享

1、CPU资源

- 在物理机中，操作系统可以直接调度CPU核心，应用程序可以根据操作系统的调度策略独占或共享CPU资源，而在虚拟机中，虚拟机软件需要在多个虚拟机（如果同时运行多个虚拟机）和物理机操作系统之间共享物理CPU资源，假设物理机有4个CPU核心，运行一个虚拟机时，虚拟机软件可能会将部分CPU核心时间分配给虚拟机，如果同时运行多个虚拟机，每个虚拟机所能获得的CPU时间片就会减少。

- 虚拟机软件对CPU的虚拟化技术也会影响性能，完全虚拟化可能会带来一定的性能开销，因为它需要模拟完整的硬件指令集，而半虚拟化可以通过修改操作系统内核来减少这种开销，但需要操作系统的支持。

2、内存资源

- 虚拟机共享物理机的内存，虚拟机软件需要管理内存的分配和回收，确保每个虚拟机都能获得足够的内存，当虚拟机中的操作系统或应用程序请求内存时，虚拟机软件要从物理机的内存池中分配，如果物理机内存不足，虚拟机可能会面临内存交换（将内存数据交换到硬盘上的虚拟内存）的情况，这会大大降低性能。

- 内存的分配方式也会影响速度，动态内存分配虽然可以根据虚拟机的需求灵活调整内存大小，但可能会因为频繁的内存调整操作而产生性能损耗。

3、硬盘资源

- 虚拟机的硬盘实际上是物理机硬盘上的一个文件或者一个分区，虚拟机对硬盘的读写操作需要经过虚拟机软件的转换，当虚拟机中的应用程序写入数据到虚拟硬盘时，虚拟机软件会将这个操作转换为对物理机硬盘的写入操作，这种间接的操作方式比物理机直接对硬盘的读写要慢。

- 如果多个虚拟机同时读写物理机硬盘，会产生磁盘I/O竞争，在一个使用机械硬盘的物理机上，如果同时有多个虚拟机进行大量的磁盘读写操作，由于机械硬盘的读写头需要在不同的磁道间切换，会导致读写延迟增加，从而影响虚拟机的速度。

（二）虚拟化层开销

1、指令转换开销

- 如前面所述，虚拟机中的操作系统和应用程序发出的指令需要经过虚拟机软件进行转换才能在物理机上执行，这个转换过程会消耗一定的CPU时间，对于一些复杂的x86指令，虚拟机软件可能需要进行多次转换操作才能将其转换为物理机硬件能够识别的指令，这就增加了指令执行的延迟。

2、设备模拟开销

- 虚拟机软件需要模拟各种硬件设备，如网络适配器、显卡等，以网络适配器为例，虚拟机中的网络流量需要通过虚拟机软件模拟的网络设备进行转发，这个模拟过程会带来一定的性能损失，对于图形密集型应用，虚拟机软件模拟显卡的效果可能不如物理机直接使用显卡，因为模拟显卡需要将图形指令转换为物理机显卡能够理解的指令，并且可能无法充分利用物理机显卡的高级功能。

（三）操作系统和应用程序特性

1、操作系统差异

- 不同的操作系统在虚拟机和物理机上的性能表现可能不同，Linux系统在虚拟机中的性能可能比Windows系统在虚拟机中的性能更好，因为Linux系统的内核结构相对简单，对资源的管理更加高效，某些操作系统版本可能对虚拟化技术有更好的支持，能够减少虚拟化带来的性能损耗。

2、应用程序类型

- 对于计算密集型应用，如科学计算软件、视频编码软件等，虚拟机可能会因为CPU资源共享和指令转换开销而表现出明显的性能下降，以视频编码为例，物理机可以直接利用CPU的指令集进行高效的编码操作，而虚拟机中的视频编码软件发出的指令需要经过转换，并且可能无法充分利用物理机的多核心CPU优势。

- 对于I/O密集型应用，如数据库管理系统，虚拟机的性能也会受到硬盘和网络I/O的限制，在虚拟机中运行的数据库系统可能会因为磁盘I/O竞争和网络延迟而导致查询响应时间变长。

性能测试对比

（一）测试环境搭建

1、物理机配置

- 选择一台配置较高的物理机作为测试基准，采用Intel Core i7 - 9700K处理器，8核心8线程，主频3.6GHz，可睿频至4.9GHz；32GB DDR4内存，频率为3200MHz；1TB NVMe固态硬盘；采用NVIDIA GeForce RTX 2060独立显卡，安装Windows 10专业版操作系统。

2、虚拟机配置

- 在物理机上使用VMware Workstation Pro创建虚拟机，虚拟机配置为4个虚拟CPU核心（基于物理机的CPU资源共享），8GB虚拟内存，128GB虚拟硬盘（采用虚拟硬盘文件存储在物理机的NVMe固态硬盘上），在虚拟机中安装Windows 10企业版操作系统。

（二）测试指标及工具

1、CPU性能测试

- 使用Cinebench R23作为CPU性能测试工具，Cinebench R23可以测试CPU的单核和多核性能，它通过渲染复杂的3D场景来对CPU进行压力测试。

2、内存性能测试

- 采用MemTest64来测试内存的读写速度，MemTest64可以对内存进行全面的读写测试，并且可以给出内存的带宽、延迟等性能指标。

3、硬盘性能测试

- 使用CrystalDiskMark来测试硬盘的读写速度，对于虚拟机的虚拟硬盘和物理机的固态硬盘，CrystalDiskMark可以准确地测量顺序读写速度和随机读写速度。

4、综合性能测试

- 使用PCMark 10作为综合性能测试工具，PCMark 10可以模拟各种日常应用场景，如办公软件使用、网页浏览、视频播放等，通过对这些场景的测试来评估整个系统的综合性能。

（三）测试结果分析

1、CPU性能

- 在Cinebench R23测试中，物理机的单核得分达到了1950pts，多核得分达到了15600pts，而虚拟机的单核得分仅为1300pts，多核得分达到了5200pts，可以看出，虚拟机的CPU性能明显低于物理机，虚拟机的单核性能约为物理机的66.7%，多核性能约为物理机的33.3%，这主要是由于虚拟机软件对CPU资源的共享和指令转换开销导致的。

2、内存性能

- MemTest64测试结果显示，物理机的内存读取速度为42GB/s，写入速度为38GB/s，延迟为55ns，虚拟机的内存读取速度为28GB/s，写入速度为25GB/s，延迟为80ns，虚拟机的内存性能相比物理机有一定程度的下降，读取速度约为物理机的66.7%，写入速度约为物理机的65.8%，延迟增加了约45.5%，这是因为虚拟机软件在内存管理方面存在一定的开销，并且共享物理机内存时可能会受到其他虚拟机或物理机操作系统的影响。

3、硬盘性能

- CrystalDiskMark测试表明，物理机的顺序读取速度为3500MB/s，顺序写入速度为3000MB/s，随机读取速度为45MB/s，随机写入速度为90MB/s，虚拟机的顺序读取速度为1200MB/s，顺序写入速度为1000MB/s，随机读取速度为15MB/s，随机写入速度为30MB/s，虚拟机的硬盘性能远低于物理机，顺序读取速度约为物理机的34.3%，顺序写入速度约为物理机的33.3%，随机读取速度约为物理机的33.3%，随机写入速度约为33.3%，这是由于虚拟机对硬盘的读写操作是间接的，并且可能会受到磁盘I/O竞争的影响。

4、综合性能

- PCMark 10测试中，物理机的总得分达到了6500pts，而虚拟机的总得分仅为3200pts，虚拟机的综合性能约为物理机的49.2%，这说明在模拟日常应用场景时，虚拟机的性能也明显低于物理机，因为综合性能受到CPU、内存、硬盘等多个因素的共同影响。

不同应用场景下的性能差异

（一）企业办公场景

1、办公软件使用

- 在企业办公场景中，常见的办公软件如Microsoft Word、Excel、PowerPoint等，对于这些办公软件，虚拟机的性能通常可以满足基本需求，在打开文档、编辑内容、保存文件等操作中，虽然虚拟机可能会比物理机稍慢，但这种差异在一般情况下不会对办公效率产生严重影响，在物理机上打开一个较大的Excel文件可能需要3 - 5秒，而在虚拟机中可能需要5 - 8秒。

2、邮件客户端使用

- 对于邮件客户端（如Microsoft Outlook），虚拟机的性能也基本可以接受，主要的操作包括接收邮件、发送邮件、管理邮件文件夹等，虽然虚拟机在网络连接方面可能会因为网络设备模拟而有一些延迟，但在正常的企业网络环境下，这种延迟通常不会超过1 - 2秒，相比于物理机的操作速度，不会造成太大的不便。

（二）软件开发场景

1、代码编译

- 在软件开发中，代码编译是一个比较消耗资源的过程，对于小型项目的编译，虚拟机可能还能够应付，一个简单的Python脚本编译，虚拟机和物理机的编译时间差异可能在10 - 20%左右，但是对于大型项目，如C++大型项目的编译，物理机的优势就非常明显，由于虚拟机在CPU和内存资源共享方面的限制，在物理机上可能需要10分钟完成的编译，在虚拟机中可能需要20 - 30分钟。

2、软件开发环境搭建

- 搭建软件开发环境时，虚拟机有其独特的优势，如可以方便地创建和删除不同的开发环境，便于进行环境隔离，从性能角度来看，在虚拟机中安装开发工具（如集成开发环境IDE等）可能会比在物理机中慢，在物理机上安装Visual Studio可能需要15 - 20分钟，而在虚拟机中可能需要25 - 30分钟。

（三）数据中心场景

1、服务器应用

- 在数据中心中，服务器运行着各种应用，如Web服务器、数据库服务器等，对于Web服务器，虚拟机在处理少量并发请求时性能还可以接受，但随着并发请求数量的增加，虚拟机的性能会迅速下降，物理机可以轻松处理1000个并发的HTTP请求，而虚拟机可能在处理500个并发请求时就开始出现明显的响应延迟。

- 对于数据库服务器，虚拟机的性能问题更加突出，由于数据库操作对磁盘I/O和内存的要求很高，虚拟机在共享物理机的硬盘和内存资源时，会导致数据库查询响应时间变长，在物理机上执行一个复杂的SQL查询可能需要1 - 2秒，而在虚拟机中可能需要3 - 5秒。

优化虚拟机性能的方法

（一）硬件资源分配优化

1、CPU分配

- 根据虚拟机的需求合理分配CPU核心，如果虚拟机主要运行计算密集型应用，可以适当增加分配给虚拟机的CPU核心数量，可以选择使用物理机中性能较好的CPU核心分配给虚拟机，在一个具有超线程技术的物理机中，可以将具有更高基础频率的物理核心分配给虚拟机，而不是仅仅分配虚拟核心。

2、内存分配

- 为虚拟机分配足够的内存，避免因为内存不足导致的性能下降，可以根据虚拟机中运行的应用程序的内存需求来确定内存分配量，如果虚拟机中要运行大型数据库管理系统，至少要分配8GB以上的内存，可以采用固定内存分配的方式，减少动态内存分配带来的性能损耗。

3、硬盘资源分配

- 对于虚拟机的虚拟硬盘，尽量将其存储在物理机性能较好的硬盘上，如果物理机有NVMe固态硬盘和机械硬盘，将虚拟硬盘文件存储在NVMe固态硬盘上可以提高虚拟机的硬盘读写速度，可以为虚拟机分配独立的磁盘分区，减少磁盘I/O竞争。

（二）虚拟机软件优化

1、选择合适的虚拟化技术

- 根据物理机和虚拟机的操作系统以及应用需求选择合适的虚拟化技术，对于Linux系统之间的虚拟化，可以考虑使用KVM（Kernel - Based Virtual Machine），它是一种基于内核的虚拟化技术，性能较好，而对于Windows系统的虚拟化，VMware Workstation等商业软件可能提供更稳定和优化的性能。

2、更新虚拟机软件版本

- 虚拟机软件开发商会不断优化软件性能，修复性能相关的漏洞，定期更新虚拟机软件版本可以提高虚拟机的性能，VMware Workstation的新版本可能会改进CPU资源调度算法，提高虚拟机的CPU性能。

（三）操作系统和应用程序优化

1、操作系统优化

- 在虚拟机中优化操作系统的设置，对于Windows操作系统，可以关闭一些不必要的系统服务，减少系统资源的占用，对于Linux操作系统，可以调整内核参数，提高系统的性能，调整内存管理相关的内核参数可以提高内存的使用效率。

2、应用程序优化

- 对在虚拟机中运行的应用程序进行优化，对于数据库应用程序，可以优化数据库的查询语句，减少查询时间，对于Web应用程序，可以优化网页代码，减少页面加载时间，这些优化措施可以在一定程度上弥补虚拟机性能的不足。

虚拟机与物理机在性能上存在一定的差异，受到硬件资源共享、虚拟化层开销、操作系统和应用程序特性等多种因素的影响，通过性能测试对比，我们发现虚拟机在CPU、内存、硬盘等方面的性能均低于物理机，在不同的应用场景下这种性能差异也有所不同，通过合理的硬件资源分配优化、虚拟机软件优化以及操作系统和应用程序优化等方法，可以在一定程度上提高虚拟机的性能，在实际应用中，需要根据具体的需求和场景来选择使用虚拟机还是物理机，或者如何优化虚拟机的性能以满足需求。