虛擬機器（VM）是什麼？完整入門指南

更新日期： 2025 年 3 月 4 日

在現代資訊科技的發展中，虛擬化技術已成為許多企業與個人用戶不可或缺的一部分。

其中，虛擬機器（Virtual Machine, VM）是最常見的虛擬化技術之一。

無論是開發者測試新系統、企業部署伺服器，還是個人使用不同的作業系統，虛擬機器都能提供靈活且高效的解決方案。

那麼，虛擬機器究竟是什麼？它是如何運作的？有什麼優勢和應用場景？

這篇文章將詳細介紹虛擬機器的概念、種類、運作方式以及應用場景，幫助初學者理解這項技術的基本知識。

什麼是虛擬機器（VM）？

虛擬機器（Virtual Machine，簡稱 VM）是一種能夠在一台物理電腦上模擬另一台完整電腦系統的技術。

簡單來說，就是在一台電腦內，創造出另一台「虛擬」電腦，這台虛擬電腦能夠運行自己的作業系統和應用程式，就像真正的電腦一樣。

舉個例子，你可能正在使用 Windows 電腦，但透過虛擬機器，你可以在 Windows 內同時運行 Linux 或 macOS，而不需要重新開機或更換硬體。

這讓開發人員、測試人員，甚至一般使用者，都可以在同一台設備上使用不同的系統，達到更高的靈活性。

虛擬機器運行時，會使用一部分物理主機的資源，例如 CPU、記憶體（RAM）、硬碟空間和網路連線，但這些資源是被「虛擬化」的，意味著它們是由軟體模擬出來，而非真正的獨立硬體。

虛擬機器的主要組成

每個虛擬機器通常由以下幾個重要部分組成：

1. 虛擬硬體（Virtual Hardware）
   • 這是由軟體模擬出來的硬體環境，例如 CPU、記憶體、硬碟、網路介面等。虛擬機器內部的作業系統（Guest OS）會認為這些是實體硬體，但實際上它們只是主機分配的資源。
2. 作業系統（Guest OS）
   • 每個虛擬機器內都可以安裝自己的作業系統，例如 Windows、Linux 或 macOS。這讓使用者能在同一台電腦上，同時運行不同的系統。
3. 虛擬機器監控器（Hypervisor）
   • 這是一種負責管理與分配硬體資源的軟體。它讓多個虛擬機器能夠在同一台物理主機上共存，並確保它們彼此不會互相干擾。

虛擬機器如何運作？

虛擬機器的運作原理

虛擬機器的核心技術就是虛擬機器監控器（Hypervisor），它是一個負責管理虛擬機器並分配硬體資源的軟體。

當你在一台電腦上創建並啟動一個虛擬機器時，Hypervisor 會：

1. 分配硬體資源：Hypervisor 會從主機（Host）分配一部分 CPU、記憶體、硬碟和網路資源，來供虛擬機器（Guest）使用。
2. 啟動虛擬機器：當虛擬機器啟動時，它會像真正的電腦一樣讀取 BIOS（或 UEFI）並開機，然後載入作業系統（如 Windows 或 Linux）。
3. 運行應用程式：使用者可以在虛擬機器內安裝軟體、運行程式，就像在一台實體電腦上一樣。
4. 隔離環境：每個虛擬機器都是獨立運行的，即使一台虛擬機器當機或中毒，也不會影響其他虛擬機器或主機系統。

這種技術讓使用者能夠在同一台設備上運行多個系統，無論是開發測試、學習不同的作業系統，或是在不同環境間切換，都變得更加方便。

虛擬機器監控器（Hypervisor）的種類

根據運作方式的不同，虛擬機器監控器（Hypervisor）可以分為兩種主要類型：

🔹 Type 1（裸機式 Hypervisor）

graph TD
    A["硬體 (CPU、記憶體、硬碟)"] -->|直接控制| B[Type 1 Hypervisor]
    B -->|分配資源| C["虛擬機 1 (Guest OS)"]
    B -->|分配資源| D["虛擬機 2 (Guest OS)"]
    B -->|分配資源| E["虛擬機 3 (Guest OS)"]

這類 Hypervisor 直接安裝在物理硬體上，不需要先安裝作業系統，因此它的效能較高、穩定性更好，常見於企業級伺服器環境。

這類型的 Hypervisor 會直接接管硬體資源，並允許多個虛擬機器共享這些資源。

• 適用對象：企業級伺服器、資料中心、雲端運算
• 優點：效能高、資源利用率佳、穩定性強
• 缺點：需要較多技術知識來安裝與管理
• 常見的 Type 1 Hypervisor：
  • VMware ESXi（企業級解決方案）
  • Microsoft Hyper-V（微軟推出的虛擬化平台）
  • KVM（Kernel-based Virtual Machine）（Linux 環境下常用）

🔹 Type 2（託管式 Hypervisor）

graph TD
    A["硬體 (CPU、記憶體、硬碟)"] -->|管理硬體| B["主機作業系統 (Host OS)"]
    B -->|安裝在 OS 內| C[Type 2 Hypervisor]
    C -->|分配資源| D["虛擬機 1 (Guest OS)"]
    C -->|分配資源| E["虛擬機 2 (Guest OS)"]

這類 Hypervisor 必須先安裝在主機的作業系統上（如 Windows、macOS 或 Linux），才能建立虛擬機器。它通常用於個人電腦，適合開發者、測試人員或一般使用者。

• 適用對象：個人電腦、開發測試環境
• 優點：安裝簡單、易於操作
• 缺點：效能較低，因為它依賴於主機的作業系統
• 常見的 Type 2 Hypervisor：
  • VMware Workstation（功能強大的桌面虛擬機軟體）
  • VirtualBox（免費開源的虛擬機軟體，適合學習與測試）
  • Parallels Desktop（專為 macOS 設計，可運行 Windows）

Type 1 與 Type 2 差異

Type 1（裸機式 Hypervisor）與 Type 2（託管式 Hypervisor） 的主要區別不是硬體 vs. 軟體，而是Hypervisor 的運行方式和與底層硬體的關係。

主要差異：

Type 1（裸機式 Hypervisor）

👉 直接運行在硬體層（物理機器）上，類似於一個極簡的作業系統，它本身負責管理所有的虛擬機器，並直接分配 CPU、記憶體、硬碟等資源。

• ✅ 優點： 高效能、高穩定性，因為它不依賴任何已有的 OS。
• ❌ 缺點： 需要專業知識，通常用於企業伺服器，而非個人電腦。

📌 舉例：

• VMware ESXi（企業級虛擬化解決方案）
• Microsoft Hyper-V（Windows Server 內建）
• KVM（Kernel-based Virtual Machine）（Linux 內建的虛擬化技術）

Type 2（託管式 Hypervisor）

👉 安裝在已有的作業系統上（例如 Windows 或 macOS），需要透過主機 OS 來存取硬體資源，因此效能相對較低。

• ✅ 優點： 易於使用，適合開發人員和個人使用。
• ❌ 缺點： 效能較低，因為它與主機 OS 共享資源。

📌 舉例：

• VMware Workstation（安裝在 Windows/Linux）
• VirtualBox（免費開源，適合學習）
• Parallels Desktop（專為 macOS 設計，可運行 Windows）

所以，Type 1 vs. Type 2 的真正區別是什麼？

1. Type 1 Hypervisor = 「直接跑在硬體上」
   • 它本身就是一個獨立的系統，直接與硬體溝通，像是一個「極簡的作業系統」來管理 VM。
   • 適合企業級伺服器、高效能虛擬化需求。
2. Type 2 Hypervisor = 「安裝在作業系統上的應用程式」
   • 它本身只是主機作業系統上的一個軟體，透過主機 OS 來分配硬體資源。
   • 適合一般用戶、開發測試環境。

補充：WSL2 是虛擬機器嗎？

WSL2（Windows Subsystem for Linux 2）本質上是一個虛擬機器（VM），但它與傳統的虛擬機器（如 VirtualBox、VMware）有一些關鍵的不同之處。

• 它使用的是 Microsoft 開發的精簡版 Hyper-V 虛擬機器（基於 Hyper-V 虛擬機器監控器）。
• 它與 Windows 整合得非常緊密，不像傳統 VM 需要手動分配 CPU、記憶體或網路。
• 它不需要完整的桌面環境，只運行 Linux 核心，專門用來執行 Linux 指令與應用程式。

所以，WSL2 本質上是一個基於 Hyper-V 技術的虛擬機器，但它不像一般的 VM 那樣需要額外配置硬體資源，而是 Windows 自動幫你管理。

WSL2 技術上是基於 Type 1 Hypervisor（因為它使用 Hyper-V），但它的運作方式讓它更像是 Type 2 的變形版本，因為：

• 它仍然依賴 Windows 來運行（不像 ESXi 這種獨立運作）。
• 但它比傳統的 Type 2 Hypervisor 更高效，因為它直接透過 Hyper-V 虛擬化 Linux 核心。

使用虛擬機器的優勢

主要優勢

1. 資源最佳化
   • 一台伺服器可以運行多個 VM，減少硬體成本，提高資源利用率。
2. 多系統共存
   • 在同一台電腦上安裝 Windows、Linux、macOS 等不同作業系統，方便開發與測試。
3. 提高安全性
   • VM 之間相互隔離，若某個虛擬機器受到病毒攻擊，不會影響其他系統。
4. 靈活性與可攜性
   • 可輕鬆在不同的設備間轉移 VM，不受硬體限制。
5. 簡化管理與備份
   • VM 允許快速建立、刪除、備份與還原，提升系統管理的效率。

潛在的挑戰

儘管虛擬機器帶來許多好處，但仍然存在一些挑戰：

• 效能開銷：由於 VM 需要透過 Hypervisor 來管理硬體資源，與直接在實體機上運行相比，效能可能會略微下降。
• 硬體需求高：同時運行多個 VM 需要大量的 CPU、記憶體與儲存空間。
• 設定與管理較為複雜：對初學者來說，學習如何配置和優化虛擬機器可能需要一定的時間。

虛擬機器的應用場景

伺服器虛擬化

許多企業利用 VM 來運行伺服器，例如：

• Web 伺服器（如 Apache、Nginx）
• 資料庫伺服器（如 MySQL、PostgreSQL）
• 應用伺服器（如 Java EE、.NET）

軟體開發與測試

開發人員可以使用 VM 來：

• 測試不同版本的作業系統與應用程式。
• 建立與產品環境相同的測試環境。
• 進行惡意軟體分析，確保主機安全。

教育與學習

• 學生可以使用 VM 來學習不同的作業系統與伺服器管理技術。
• IT 訓練課程經常使用 VM 來模擬真實環境。

個人使用

• 在 macOS 上運行 Windows，或在 Windows 上運行 Linux。
• 嘗試新軟體，而不影響主系統。
• 透過 VM 建立安全的瀏覽環境，避免惡意軟體感染主機。

如何開始使用虛擬機器？

如果你想嘗試使用虛擬機器，這裡有一些簡單的步驟：

1. 選擇一個虛擬機器軟體（例如 VMware Workstation、VirtualBox）。
2. 下載並安裝虛擬機器軟體。
3. 建立新的虛擬機器，分配 CPU、記憶體與儲存空間。
4. 安裝 Guest OS（如 Windows、Linux）。
5. 開始使用虛擬機器，安裝應用程式或進行測試。

結論

虛擬機器是一種強大且靈活的技術，無論是在企業 IT 基礎架構、軟體開發、教育學習，甚至是個人用途方面，都扮演著重要的角色。

透過虛擬機器，使用者可以在同一台設備上運行多個作業系統，提高資源利用率，同時增強系統的安全性與可攜性。

如果你是剛入門的使用者，建議從簡單的虛擬機器軟體（如 VirtualBox）開始嘗試，逐步了解如何配置和管理 VM，相信你很快就能掌握這項實用的技術！