在云计算环境下,虚拟化技术通过共享存储资源有效地提高存储资源的利用率,降低存储设备的开销。随着I/0密集型应用的广泛应用以及共享存储资源的虚拟机数量不断增加,虚拟机之间磁盘I/O资源竞争越来越激烈,这严重影响虚拟机内应用的I/O性能。然而,虚拟化的封装性和透明性一方面使得传统资源分配算法难以应用到虚拟化环境,另一方面导致虚拟机I/O访问更加复杂,增加了虚拟化环境下磁盘资源分配的困难。因此,如何有效地分配虚拟化环境下的磁盘I/O资源成为虚拟化I/O性能优化的关键。为此,首先,一种虚拟化环境下磁盘I/O访问特征的分析研究为虚拟化环境下磁盘资源分配提供指导。考虑到虚拟化的封装性、透明性和硬件资源共享对磁盘I/O方式的影响,该研究通过一种多角度、多粒度的测试方法,分析虚拟机的I/O请求地址分布,吞吐量变化,请求延时等。分析结果表明：(1)虚拟化环境下的I/O访问具有一种特殊的空间局部性,不同虚拟机的请求之间具有区间空间局部性和同一个虚拟机的请求之间具有子区间空间局部性；(2)当不同访问方式应用所在的虚拟机同时运行或者共享服务器的虚拟机数量逐渐增加时,虚拟机间I/O干扰加剧,导致多机下虚拟机吞吐量下降和请求延时的不稳定,难以保障虚拟机I/O服务质量(Quality of Service, QoS)。然后,根据虚拟化环境下特殊空间局部性访问的分析,一种虚拟机空间局部性感知的磁盘I/O性能优化方法通过采用一种虚拟机I/0访问规律预测模型,调度I/O请求,从而提高磁盘I/O利用率,优化I/O密集型应用的I/O性能。其中,虚拟机I/O访问规律预测模型在不破坏虚拟化透明性前提下,采用基于时态密度的聚集算法,有效地探索和预测运行多个应用的虚拟机的子区间空间局部性访问规律。基于该预测模型,该磁盘I/O性能优化方法通过一种虚拟机空间局部性感知的启发式算法,采用自适应的非工作保留模式调度I/O请求。该启发式算法通过利用虚拟机之间的区间空间局部性以及预测模型的子区间空间局部性信息,自适应地决定是发送请求还是等待未来请求,以及调节等待时间,从而协助I/O调度发送请求,减少磁头在虚拟机之间和虚拟机内的来回寻址开销,有效地提高磁盘I/O效率。全局磁盘I/O利用率的提升是解决虚拟化应用I/O性能优化的根本途径。但是,通过空间局部性访问特征提高虚拟机带宽利用率的方法未考虑各个虚拟机吞吐量需要和延时需要。另一方面,虚拟化平台缺乏有效地I/O性能隔离策略,使得虚拟机之间抢占I/O资源,难以满足各个虚拟机应用的吞吐量和延时需求,这将影响应用性能的稳定。由此,一种基于虚拟机QoS保证的磁盘调度模型Flubber在虚拟机管理层通过采用两层控制,即吞吐量控制和延时控制,从而在保证各个虚拟机的不同的吞吐量和延时需求的同时,加强磁盘I/O利用率。上层吞吐量控制调节来自虚拟机的待处理请求数量,满足各个虚拟机不同的吞吐量和加强虚拟机之间的性能隔离。下层延时控制通过采用Batch and Delay-Earliest Deadline First(BD-EDF)机制,管理物理块设备层的请求队列,保证虚拟机延时目标的同时提高磁盘I/O利用率。该BD-EDF机制结合了虚拟机的空间局部性访问特征,在不违背虚拟机的延时目标前提下,批量处理具有相对空间局部性的请求。最后,基于以上的研究,磁盘资源分配研究将进一步考虑虚拟机应用层I/O性能需求和底层磁盘资源分配之间关系。受虚拟化环境下I/O体系结构、虚拟机I/O访问方式以及底层磁盘特性影响,虚拟机的资源需求变得难以确定,这导致底层资源分配难以确定合适的带宽分配参数。因此,一种虚拟机QoS感知的带宽参数分配模型根据虚拟机I/O访问方式变化,协助虚拟机管理层动态地分配磁盘资源,减少磁盘资源的浪费。该模型通过量化虚拟机QoS变化,实时地调整虚拟机之间吞吐量参数分配,从而协助虚拟机管理层动态调整虚拟机之间带宽分配。综上所述,在分析虚拟机I/O访问特征的基础上,一整套虚拟化环境下的磁盘资源分配方法从多个层次出发,以提高磁盘I/O利用率和保证虚拟机QoS为目的,优化了虚拟化环境下应用的I/O性能。