執行緒與行程可視為「同時做更多事」的手段：它們讓程式（的片段）看起來像在同時執行。在單處理器電腦上，這種同時執行當然是假象——CPU 只有一顆，同一時間只執行一條執行緒或行程的一道指令，靠快速切換製造出平行的錯覺。

這種「實際只有一顆 CPU、卻能假裝有很多顆」的分離手法可以推廣到其他資源，也就是資源虛擬化（resource virtualization）。虛擬化已應用數十年，但隨著（分散式）電腦系統日益普及與複雜、應用軟體幾乎總是比其底層的系統軟體與硬體活得更久，它重新受到關注。

虛擬化在分散式系統中的角色#

實務上，每個（分散式）電腦系統都對上層軟體提供程式介面——從 CPU 的基本指令集，到現代中介軟體隨附的大量 API，種類繁多。虛擬化的本質就是擴充或替換既有介面，去模仿另一個系統的行為：在系統 B 之上模擬出系統 A 的介面，讓為 A 寫的程式跑在 B 上。

虛擬化在 1970 年代被引入的最重要理由之一，是讓老舊軟體（legacy software）能跑在昂貴的大型主機上——這些軟體不只包括各式應用程式，實際上還包括它們當初賴以開發的作業系統。IBM 370 大型主機（及其後繼者）成功應用了這個做法：提供一個虛擬機器，讓不同的作業系統移植上去。隨著硬體變便宜、電腦更強大、作業系統種類減少，虛擬化一度式微；但 1990 年代末以來情勢再度轉變：

• 軟硬體演化速度不對等：硬體與低階系統軟體變動相當快，較高抽象層的軟體（如中介軟體與應用程式）則穩定得多——老舊軟體跟不上其所依賴平台的演進步調。虛擬化能把舊介面移植到新平台，立刻讓大量既有程式用上新平台。
• 網路無所不在：現代電腦幾乎必然連網，系統管理者因此得維護一大批異質的伺服器，各自跑著非常不同的應用、供客戶端存取，同時各種資源又得讓這些應用容易取用。虛擬化能大幅減少平台與機器的多樣性：讓每個應用跑在自己的虛擬機器上（可能連同相關函式庫與作業系統），再讓這些虛擬機器跑在共同平台上。

這種「連同環境一起虛擬化」的做法帶來高度的可攜性與彈性。例如 Awadallah 與 Rosenblum（2002）主張：若邊緣伺服器支援虛擬化，讓完整站台連同其環境可被動態複製，要實現能輕鬆支援動態內容複製的內容遞送網路（content delivery network），管理會容易得多。對分散式系統而言，正是這類可攜性論點使虛擬化成為重要機制。

虛擬機器的架構#

虛擬化在實務上有許多實現方式（Smith 與 Nair（2005）有完整綜覽）。要理解其差異，先要認識電腦系統一般在四個層次提供四種介面：

1. 硬體與軟體之間、由任何程式皆可呼叫的機器指令構成的介面。
2. 硬體與軟體之間、僅供特權程式（如作業系統）呼叫的機器指令構成的介面。
3. 作業系統提供的系統呼叫介面。
4. 函式庫呼叫構成的介面，一般即所謂的應用程式介面（application programming interface, API）；許多情況下系統呼叫被 API 隱藏起來。

虛擬化的本質就是模仿這些介面的行為，做法有兩大類：

• 行程虛擬機器（process virtual machine）：建立一個執行期系統，提供一套抽象指令集作為執行應用程式之用。指令可以用直譯的（如 Java 執行環境），也可以用模擬的（如在 UNIX 平台上跑 Windows 應用程式——後者連系統呼叫的行為也得模仿，實務證明通常遠非易事）。此名稱強調虛擬化只針對單一行程。
• 虛擬機器監視器（virtual machine monitor, VMM）：提供一個完全遮蔽原始硬體的系統層，但對外提供同樣（或其他）硬體的完整指令集作為介面。關鍵在於這個介面可同時提供給不同的程式使用，因此同一平台上可以有多個不同的作業系統獨立並行地執行。典型例子是 VMware（Sugerman 等人，2001）與 Xen（Barham 等人，2003）。

如 Rosenblum 與 Garfinkel（2005）所論，VMM 在（分散式）系統的可靠性與安全性方面將日益重要：由於它能隔離完整的應用程式及其環境，錯誤或安全攻擊造成的失效不再波及整台機器；同時 VMM 讓硬體與軟體進一步解耦，可把完整環境從一台機器搬到另一台，大幅提升可攜性。