虚拟机和物理机，虚拟机与物理机性能对比

***：虚拟机是通过软件模拟的计算机系统，物理机则是真实的计算机硬件设备。在性能对比方面，物理机直接运行于硬件之上，拥有硬件的全部性能资源，处理能力、I/O速度通常较强。虚拟机共享物理机资源，在资源分配上受物理机限制，当多个虚拟机同时运行时可能出现性能瓶颈。但虚拟机具有灵活性高、便于迁移和管理等优点，而物理机安全性和稳定性在某些场景下更具优势。

本文目录导读：

1. 计算能力对比
2. 存储性能对比
3. 网络性能对比
4. 资源利用率对比
5. 可扩展性对比
6. 安全性对比
7. 成本对比

深度解析与全面考量

在当今的信息技术领域，虚拟机和物理机是两种重要的计算资源提供方式，无论是企业构建数据中心，还是个人进行开发测试等工作，都需要在虚拟机和物理机之间做出选择，了解它们的性能差异对于做出正确的决策至关重要，本文将深入对比虚拟机和物理机在多个方面的性能，包括计算能力、存储性能、网络性能、资源利用率、可扩展性等，以便为读者提供全面而准确的参考。

计算能力对比

（一）CPU性能

1、物理机

- 物理机直接使用硬件CPU资源，在理想情况下，物理机能够充分发挥CPU的原始性能，一台配备了高端Intel酷睿i9处理器的物理机，其单核性能和多核性能可以直接被运行在其上的操作系统和应用程序利用，由于不存在中间层的转换或共享开销，对于一些对CPU计算能力要求极高的任务，如科学计算中的大规模数值模拟、复杂的视频渲染等，物理机能够提供更稳定和高效的计算能力。

- 物理机的CPU资源是独占式的，这意味着如果一个应用程序需要大量的CPU时间片，只要没有其他竞争进程在同一物理机上运行，它就可以最大限度地占用CPU资源，在一个物理服务器上运行一个数据库管理系统，该数据库在进行大规模数据查询优化时，可以充分利用物理机的CPU核心进行并行计算，而不会受到其他虚拟层面的限制。

2、虚拟机

- 虚拟机通过宿主机的CPU进行资源分配，虚拟机管理程序（如VMware ESXi、Hyper - V等）负责将宿主机的CPU资源分配给各个虚拟机，在这个过程中，不可避免地会产生一定的开销，当虚拟机需要执行CPU指令时，虚拟机管理程序需要进行指令的转换和调度，这会消耗一定的CPU时间，对于一些对CPU性能非常敏感的应用程序，这种额外的开销可能会导致性能下降。

- 虚拟机的CPU资源是共享的，多个虚拟机可能会共享宿主机的CPU资源，如果宿主机上同时运行多个高CPU负载的虚拟机，每个虚拟机能够获得的CPU资源就会受到限制，在一个宿主机上运行了三个虚拟机，每个虚拟机都运行着CPU密集型的应用程序，如加密货币挖矿程序（虽然在很多情况下这是不被允许的，但仅作为示例），那么每个虚拟机实际能够利用的CPU资源可能只有宿主机CPU资源的三分之一甚至更少，这取决于虚拟机管理程序的调度策略。

（二）内存性能

1、物理机

- 物理机对内存具有直接的访问权，内存与CPU之间的数据传输路径相对较短且直接，在一个物理机上运行大型数据库应用程序时，数据可以快速地从内存加载到CPU缓存中进行处理，物理机的内存带宽可以被应用程序充分利用，因为没有其他虚拟层的干扰。

- 物理机可以根据自身硬件配置安装大量的内存，对于需要处理海量数据的应用场景，如大数据分析平台，物理机可以通过扩展内存模块来满足内存需求，一些高端服务器可以支持数TB的内存容量，这为数据处理提供了广阔的空间。

2、虚拟机

- 虚拟机的内存是由宿主机分配的，虚拟机管理程序在分配内存给虚拟机时，也会产生一定的开销，虚拟机管理程序需要维护内存映射表，以确保虚拟机对内存的访问被正确地转换到宿主机的实际内存地址，这种开销在一定程度上会影响内存访问速度。

- 虚拟机的内存大小受到宿主机内存总量的限制，如果宿主机的内存有限，那么分配给各个虚拟机的内存也会受到限制，一个宿主机有16GB内存，同时运行4个虚拟机，每个虚拟机平均只能分配到4GB内存，这可能无法满足某些对内存需求较大的应用程序的需求，如大型企业级应用服务器。

存储性能对比

（一）磁盘I/O性能

1、物理机

- 物理机直接连接存储设备，无论是传统的机械硬盘（HDD）还是固态硬盘（SSD），物理机可以通过主板上的磁盘控制器直接与存储设备进行通信，对于HDD来说，物理机可以充分利用其顺序读写性能，在一个物理机上运行文件服务器，当用户进行大文件的连续读取或写入时，物理机可以直接控制磁盘的磁头移动和数据传输，从而实现较高的顺序I/O性能。

- 在使用SSD的情况下，物理机能够最大限度地发挥SSD的高速读写特性，由于没有中间层的干扰，SSD的低延迟和高带宽特性可以被物理机上的应用程序直接利用，在物理机上运行数据库应用程序，SSD的快速随机读写能力可以大大提高数据库的查询和写入速度。

2、虚拟机

- 虚拟机的磁盘I/O通过宿主机的磁盘子系统进行，虚拟机管理程序会对虚拟机的磁盘I/O请求进行处理和调度，当多个虚拟机同时进行磁盘I/O操作时，可能会产生I/O争用现象，在一个宿主机上运行了多个虚拟机，每个虚拟机都在进行大量的数据写入操作，如同时进行系统备份，那么虚拟机之间就会竞争宿主机的磁盘I/O资源，导致每个虚拟机的磁盘I/O速度下降。

- 虚拟机的磁盘存储方式有多种，如虚拟磁盘文件（在VMware中为.vmdk文件），这种虚拟磁盘文件的读写操作需要经过虚拟机管理程序的转换，当虚拟机中的应用程序要写入数据到虚拟磁盘时，虚拟机管理程序需要将写入请求转换为对宿主机磁盘上实际文件的写入操作，这一过程会增加一定的I/O延迟。

（二）存储扩展性

1、物理机

- 物理机的存储扩展性相对直接，可以通过添加硬盘、使用磁盘阵列（RAID）技术等方式来扩展存储容量和提高存储性能，在企业级物理服务器中，可以通过插入新的硬盘到硬盘托架中，并配置RAID 5或RAID 10阵列来增加存储容量和数据冗余性，物理机可以直接连接外部存储设备，如网络附属存储（NAS）或存储区域网络（SAN），以满足大规模数据存储的需求。

2、虚拟机

- 虚拟机的存储扩展性依赖于宿主机的存储资源，如果宿主机的存储容量已满，虚拟机的存储就无法进一步扩展，除非对宿主机的存储进行升级，在一个宿主机上，所有可用的磁盘空间都已经分配给了各个虚拟机，如果某个虚拟机需要更多的存储容量，就需要在宿主机上添加新的硬盘或者重新分配存储资源给该虚拟机，这一过程相对复杂且可能会影响其他虚拟机的运行。

网络性能对比

（一）网络带宽

1、物理机

- 物理机通过网络接口卡（NIC）直接连接网络，在网络环境良好的情况下，物理机可以充分利用网络带宽，在一个千兆以太网环境中，物理机的网络接口卡可以直接以接近1Gbps的速度进行数据传输，对于一些对网络带宽要求较高的应用，如视频流服务器，物理机能够提供稳定的高带宽网络连接。

- 物理机可以根据需要安装高性能的网络接口卡，在数据中心中，为了满足高速数据交换的需求，物理服务器可以配备万兆以太网接口卡甚至更高性能的网络接口卡，从而大大提高网络传输速度。

2、虚拟机

- 虚拟机的网络连接通过宿主机的网络接口实现，虚拟机管理程序会对虚拟机的网络流量进行管理和分配，当多个虚拟机同时进行网络通信时，可能会共享宿主机的网络带宽，在一个宿主机上运行了多个虚拟机，每个虚拟机都在进行大量的数据下载或上传操作，如虚拟机中的应用程序在进行软件更新或云备份，那么每个虚拟机能够获得的网络带宽就会受到限制，可能无法达到物理机那样的全速网络传输。

- 虚拟机的网络性能还受到虚拟机管理程序网络虚拟化技术的影响，不同的虚拟机管理程序采用不同的网络虚拟化方案，有些方案可能会在网络数据包的处理过程中引入一定的延迟或开销，从而影响虚拟机的网络性能。

（二）网络延迟

1、物理机

- 由于物理机直接连接网络设备，网络延迟相对较低，从物理机发送的数据可以直接通过网络接口卡和网络线缆传输到目标设备，在一个局域网内的物理机之间进行数据通信时，网络延迟可能只有几毫秒甚至更低，这对于一些对网络延迟敏感的应用，如实时金融交易系统，非常重要。

2、虚拟机

- 虚拟机的网络延迟相对较高，因为虚拟机的网络数据包需要经过虚拟机管理程序的处理和转发，当虚拟机中的应用程序发送一个网络数据包时，该数据包首先要经过虚拟机管理程序的网络虚拟层，在这里可能会进行地址转换、流量控制等操作，然后才会通过宿主机的网络接口发送出去，这一过程会增加网络延迟。

资源利用率对比

（一）物理机

1、物理机的资源利用率相对较低，在传统的物理机部署模式下，为了满足应用程序的峰值需求，往往会配置过多的资源，在一个企业部门中，为了运行一个企业资源规划（ERP）系统，可能会购买一台配置较高的物理服务器，但实际上该ERP系统在大部分时间内并没有充分利用服务器的所有资源，如CPU、内存和存储等，这就导致了资源的浪费，而且物理机在闲置时，这些资源无法被其他应用程序共享利用。

2、物理机的资源管理相对简单，一旦硬件资源配置完成，在操作系统层面进行基本的资源管理即可，在Windows Server操作系统下，可以通过任务管理器查看CPU、内存等资源的使用情况，并进行简单的进程管理，这种简单的资源管理方式缺乏灵活性，无法根据应用程序的实时需求动态调整资源分配。

（二）虚拟机

1、虚拟机能够提高资源利用率，通过在一台宿主机上运行多个虚拟机，可以将宿主机的资源（如CPU、内存、存储等）进行合理分配给不同的虚拟机，在一个宿主机上，可以同时运行一个Web服务器虚拟机、一个数据库服务器虚拟机和一个邮件服务器虚拟机，根据每个虚拟机的实际负载情况，虚拟机管理程序可以动态调整资源分配，使得宿主机的资源得到充分利用。

2、虚拟机的资源管理更加灵活，虚拟机管理程序提供了丰富的资源管理功能，在VMware vSphere中，可以设置虚拟机的CPU和内存资源的限制、优先级等，可以根据业务需求，在不同的时间段为不同的虚拟机分配不同的资源量，在白天业务繁忙时，可以为企业内部使用的Web服务器虚拟机分配更多的CPU和内存资源，而在晚上，可以适当减少其资源分配，将更多资源分配给进行数据备份的虚拟机。

可扩展性对比

（一）物理机

1、物理机的可扩展性相对较差，当需要增加计算资源时，往往需要购买新的物理设备，如果企业的数据中心需要增加服务器的计算能力，就需要购买新的物理服务器，这不仅需要投入大量的资金，还需要考虑机房空间、电力供应等问题，而且新的物理设备与现有设备的整合也可能会面临兼容性等问题。

2、在存储和网络方面，物理机的扩展虽然可行但也存在一定的复杂性，如前所述，扩展物理机的存储需要添加硬盘或连接外部存储设备，这可能涉及到设备的安装、配置和数据迁移等问题，同样，扩展物理机的网络性能需要更换网络接口卡或增加网络设备，这也需要一定的技术和管理成本。

（二）虚拟机

1、虚拟机具有较好的可扩展性，在计算能力方面，可以通过在宿主机上创建更多的虚拟机来满足需求，随着企业业务的增长，需要更多的Web服务器实例，可以在现有的宿主机上轻松创建新的Web服务器虚拟机，只要宿主机的资源（如CPU、内存等）允许。

2、在存储和网络方面，虚拟机也可以相对容易地进行扩展，对于存储，可以通过增加宿主机的存储容量或者在虚拟机管理程序中调整虚拟机的存储分配来实现，对于网络，可以通过在虚拟机管理程序中配置虚拟网络的带宽、添加虚拟网络接口等方式来满足虚拟机的网络扩展需求。

安全性对比

（一）物理机

1、物理机的安全性在一定程度上取决于硬件的安全性，物理机的机箱可以提供一定的物理保护，防止未经授权的人员直接接触硬件设备，物理机的BIOS设置可以设置密码保护，防止他人修改硬件相关的启动设置等。

2、在操作系统层面，物理机的安全性依赖于操作系统自身的安全机制，Windows Server操作系统通过用户账户控制、防火墙等功能来保护系统安全，如果物理机被入侵，由于其直接控制硬件资源，入侵者可能会对整个系统造成更大的破坏，如直接格式化硬盘等。

（二）虚拟机

1、虚拟机的安全性面临一些特殊的挑战，由于多个虚拟机共享宿主机的资源，存在虚拟机逃逸的风险，虚拟机逃逸是指虚拟机中的恶意代码突破虚拟机的限制，影响到宿主机或其他虚拟机的安全，一个被入侵的虚拟机可能通过漏洞利用，获取宿主机的管理权限，从而对宿主机上的其他虚拟机进行攻击。

2、虚拟机管理程序的安全性至关重要，如果虚拟机管理程序存在漏洞，整个虚拟机环境都可能面临风险，一个存在安全漏洞的VMware ESXi虚拟机管理程序可能会被黑客利用，从而获取虚拟机中的数据或控制虚拟机的运行，不过，虚拟机管理程序也提供了一些安全功能，如虚拟机之间的隔离、安全策略设置等，可以在一定程度上提高虚拟机的安全性。

成本对比

（一）硬件成本

1、物理机

- 物理机需要购买硬件设备，包括服务器机箱、CPU、内存、硬盘、网络接口卡等，对于企业级的物理服务器，这些硬件设备的成本可能非常高，一台配置高端的企业级物理服务器，配备多核CPU、大容量内存和高速硬盘，其硬件成本可能达到数万元甚至更高，随着企业业务的发展，如果需要增加计算能力，还需要购买新的物理服务器，这进一步增加了硬件成本。

2、虚拟机

- 虚拟机运行在宿主机上，对于宿主机的硬件要求相对较高，但从整体硬件成本来看，如果合理规划，可以降低成本，可以购买一台配置较高的宿主机，然后在其上运行多个虚拟机，相当于用一台物理机的硬件成本来提供多个虚拟机的计算资源，虽然宿主机的初始硬件购买成本可能较高，但相比购买多台物理机来满足相同的计算需求，仍然可以节省成本。

（二）软件成本

1、物理机

- 物理机需要安装操作系统，对于企业级操作系统，如Windows Server或Linux企业版，需要购买相应的许可证，这也是一笔不小的成本，如果需要使用一些特定的软件，如数据库管理系统、中间件等，也需要单独购买许可证，这些软件成本在物理机环境下是按照物理机的数量来计算的。

2、虚拟机

- 虚拟机除了宿主机需要操作系统许可证外，虚拟机管理程序也需要购买许可证，不过，一些虚拟机管理程序提供免费版本，如VMware Workstation Player（适用于个人使用），在企业环境中，虽然需要购买虚拟机管理程序的企业版许可证，但由于可以在一台宿主机上运行多个虚拟机，从软件成本的分摊角度来看，可以降低成本，一个企业购买了VMware vSphere的企业版许可证，可以在一台宿主机上运行多个虚拟机，而不需要为每个虚拟机单独购买操作系统和其他软件的许可证，只要在许可证允许的范围内。

（三）维护成本

1、物理机

- 物理机的维护成本包括硬件维护和软件维护，硬件维护方面，需要定期检查硬件设备的运行状况，如服务器的散热情况、硬盘的健康状态等，如果硬件出现故障，需要专业的技术人员进行维修或更换，这可能涉及到硬件设备的运输、维修费用等，在软件维护方面，需要对操作系统和安装在物理机上的软件进行更新、打补丁等操作，这也需要一定的人力和时间成本。

2、虚拟机

- 虚拟机的维护成本相对较低，在硬件维护方面，主要是对宿主机的维护，由于虚拟机是运行在宿主机上的，不需要对每个虚拟机的硬件进行单独维护，在软件维护方面，虚拟机管理程序的更新可以相对集中地管理虚拟机的资源和运行环境，虚拟机的备份和恢复也相对容易，可以通过虚拟机管理程序的功能进行操作，这在一定程度上降低了维护成本。

虚拟机和物理机在性能方面各有优劣，物理机在计算能力、存储性能、网络性能等方面具有直接利用硬件资源的优势，适用于对性能要求极高、对安全性和稳定性有特殊要求的应用场景，如大型科学计算中心、金融核心交易系统等，而虚拟机具有资源利用率高、可扩展性好、成本相对较低等优点，适用于企业的开发测试环境、中小企业的办公应用等场景，在实际应用中，需要根据具体的业务需求、预算、安全要求等因素综合考虑，选择最适合的计算资源提供方式，无论是虚拟机还是物理机，随着技术的不断发展，它们的性能和功能也在不断提升，未来将在各自适合的领域发挥更加重要的作用。