虚拟机能否直接访问物理硬盘？

虚拟机（Virtual Machine, VM）的核心功能之一就是模拟计算机的硬件环境，让操作系统和应用程序在其中运行，仿佛它们就在一台真实的物理计算机上一样，这个“模拟”的虚拟机，能否直接读取物理主机上真实的硬盘呢？

答案是：可以，但并非总是直接访问物理磁盘的原始扇区，并且有多种实现方式，具体取决于虚拟化软件的配置和用户的需求。

理解虚拟机如何访问存储,关键在于区分几个概念：

1. 虚拟磁盘文件： 这是最常见的方式，当你在虚拟化软件（如 VMware Workstation, VirtualBox, Hyper-V, KVM）中创建一个新虚拟机时，通常会选择创建一个新的虚拟硬盘，这个“硬盘”实际上是你物理主机硬盘上的一个或多个大型文件（.vmdk, .vdi, .vhdx, .qcow2 等格式）。

   • 读取过程： 虚拟机内的操作系统认为自己是在读写一个真实的硬盘（SATA 或 SCSI 硬盘），它发出的磁盘读写指令（I/O请求）被虚拟化软件（Hypervisor）截获。
   • Hypervisor 的翻译： Hypervisor 将这些虚拟的 I/O 请求翻译成对物理主机文件系统上那个虚拟磁盘文件的操作，虚拟机要写入硬盘的某个“扇区”，Hypervisor 会计算出这个“扇区”对应在虚拟磁盘文件中的哪个位置，然后将数据写入物理主机硬盘上那个文件的相应偏移量处。
   • 物理硬盘的最终访问： 物理主机操作系统负责将这个文件写入操作落实到物理硬盘的实际扇区上，虚拟机确实“读取”了物理硬盘，但它是间接地通过读写虚拟磁盘文件来实现的，物理硬盘看到的是对一个大文件的读写，而不是虚拟机内部看到的那个“虚拟硬盘”的结构。

2. 物理硬盘直通/透传： 这是一种让虚拟机直接、无中介地访问物理硬盘（或整个磁盘控制器）的技术。

   

   • 原理： 虚拟化软件利用硬件辅助虚拟化技术（如 Intel VT-d 或 AMD-Vi），将整个物理硬盘或磁盘控制器的访问权限完全绕过主机操作系统，直接交给指定的虚拟机管理，主机操作系统将不再能看到或访问这块被直通的硬盘。
   • 读取过程： 虚拟机内的操作系统直接向这块物理硬盘发送原生的 SATA 或 SCSI 指令，就像它是一台物理机一样，Hypervisor 只负责初始的权限映射和隔离，不参与对磁盘 I/O 请求的翻译或处理，数据直接在虚拟机和物理硬盘之间传输。
   • 特点： 这种方式能提供接近原生物理机的磁盘性能（尤其是对于需要低延迟、高吞吐量的应用），并且虚拟机能看到硬盘的原始状态（包括分区表、引导扇区等），常用于需要直接访问特定物理磁盘的场景，如运行需要特定磁盘驱动程序的旧系统、数据恢复、高性能数据库、或直通整个存储控制器给虚拟机（如 NAS 应用）。
   • 要求： 需要 CPU、主板芯片组和 BIOS/UEFI 支持 VT-d/AMD-Vi 技术，并且虚拟化软件支持该功能（如 VMware ESXi 的 RDM – Raw Device Mapping， KVM/QEMU 的 PCI Passthrough, Hyper-V 的 Discrete Device Assignment）。

3. 物理分区映射： 有些桌面级虚拟化软件（如 VirtualBox, VMware Workstation）允许将物理主机硬盘上的某个分区映射为虚拟机内的一个硬盘。

   • 原理： 这类似于直通，但通常是在分区级别而非整个磁盘级别，虚拟机获得对该分区的直接读写权限。
   • 读取过程： 虚拟机直接读写该物理分区，主机操作系统通常也能同时访问该分区（除非软件有特殊锁定机制），这存在极高的数据损坏风险！如果主机和虚拟机同时写入同一个分区，数据极可能损坏或丢失。
   • 风险： 极其不推荐用于日常使用，仅适用于特殊场景（如数据恢复），且必须确保主机和虚拟机不会同时访问该分区，安全性、稳定性和数据完整性风险巨大。

总结关键点：

• 最常见方式（虚拟磁盘文件）： 虚拟机间接读取物理硬盘，它读写的是物理硬盘上的一个文件（虚拟磁盘文件），Hypervisor 负责翻译 I/O 请求，物理硬盘最终执行的是对这个文件的读写操作。
• 高性能/直接访问方式（物理硬盘直通）： 虚拟机直接读取物理硬盘，Hypervisor 将物理硬盘的控制权完全交给虚拟机，虚拟机发送原生指令，数据直接在虚拟机和物理硬盘间传输，性能高，但配置复杂且有硬件要求。
• 高风险方式（物理分区映射）： 虚拟机直接读取物理硬盘的某个分区，但主机通常也能访问，极易导致数据损坏，应避免常规使用。
• 虚拟机视角： 无论哪种方式，虚拟机内的操作系统都“认为”自己在操作一个真实的硬盘设备（如 /dev/sda 或 C: 盘）。

安全性与注意事项：

• 隔离性： 虚拟磁盘文件方式提供了良好的隔离性，一个虚拟机的磁盘问题通常不会直接影响主机或其他虚拟机（除非物理硬盘本身故障）。
• 直通风险： 物理硬盘直通虽然性能好，但虚拟机拥有对硬盘的完全控制权，如果虚拟机感染了恶意软件（如勒索病毒），它可以直接加密或破坏被直通的物理硬盘数据，主机失去了对该硬盘的管理能力。
• 映射风险： 物理分区映射风险最高，强烈不建议使用。
• 备份： 无论哪种方式，定期备份虚拟磁盘文件或被直通的物理硬盘数据都至关重要。
• 性能： 虚拟磁盘文件方式会因文件系统转换和 Hypervisor 处理带来一定的性能开销（现代技术和 SSD 已大大降低此开销），直通方式性能损失最小。

虚拟机确实能够读取物理硬盘的数据,但其实现机制可以是间接的（通过虚拟磁盘文件）或直接的（通过物理硬盘直通），选择哪种方式取决于对性能、安全性、隔离性、兼容性和管理便利性的具体需求，对于绝大多数普通用户和通用场景，使用虚拟磁盘文件是最安全、最方便、最推荐的方式，物理硬盘直通则是为特定高性能或兼容性需求而设计的高级功能，需要谨慎配置和管理。

引用与说明：

• 基于通用的虚拟化技术原理,主要参考了主流虚拟化平台（VMware vSphere/Workstation, Oracle VirtualBox, Microsoft Hyper-V, KVM/QEMU）的官方文档和技术白皮书中对存储架构的描述。
• 关于硬件辅助虚拟化（VT-d/AMD-Vi）和直通技术的细节，参考了 Intel 和 AMD 官方提供的处理器技术文档。
• 文中强调的安全风险基于常见的系统管理和数据保护最佳实践,以及虚拟化环境中因配置不当导致数据丢失的实际案例报告。
• 术语定义（如 Hypervisor, Virtual Disk, Passthrough）遵循业界标准（如 NIST SP 800-125A）。