macOSやLinuxの仮想マシンの作成

macOSやLinuxの仮想マシンの作成

Virtualizationフレームワークを使用して、Mac上に仮想マシンをすばやく作成する方法をご覧ください。仮想Macを作成し、分離された環境でAppの変更をすばやくテストする方法を紹介します。また、Appleシリコンに完全なLinuxディストリビューションをインストールして実行する方法をはじめ、Rosetta 2を活用して、x86-64 Linuxバイナリを実行する方法についても解説します。

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- 仮想化におけるシームレスな体験の構築
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(軽快な音楽)
Benjamin Poulain: 仮想化のセッションへようこそ本日の内容を説明します Appleシリコン上の仮想マシンでの macOSやLinuxの実行方法を見ていきますセッション後にはご自身の Macで同様の事ができるはずです少し大変そうに思えますが諦めずに一緒にやって行きましょう本日の進行内容ですまずは仮想化テクノロジーの概要から始め Virtualizationフレームワークの使い方を見ていきますそして macOSにおいて掘り下げていきます仮想の Macを作成し macOS をインストールしますその後は Linuxで掘り下げていきます完全な Linuxディストーションや新機能の実行方法を見ますまずは概要からです最初は仮想化を有効化するスタックを見ましょう全てはハードウェアから始まります AppleシリコンにはCPUやメモリの仮想化を有効化する特別なハードウェアがありますつまり単一SoCに加えて複数のOSを実行できるのですこのハードウェアを活用するソフトウェアが必要で macOSカーネルに直接搭載されていますもうカーネルエクステンションつまりKEXTを書く必要はありません全て搭載済みです Appからこれらの機能を使うには Hypervisorフレームワークを使います CPUやメモリの仮想化を可能にする低レベルAPIですしかし低レベルのフレームワークなので仮想環境の詳細を逐一書かなければなりませんフル機能のOSを実行したい場合が多いため高レベルAPIのVirtualizationフレームワークがあり Appleシリコン上でmacOSを動かしたり AppleシリコンとIntelの両方でLinuxを動作させる仮想マシンを作成することができます本日のセッションの焦点は Virtualizationフレームワークですその使用時には2種類のオブジェクトを扱いますまずはコンフィグレーション･オブジェクトで仮想マシンの全プロパティを定義します 2つ目は仮想マシンオブジェクトで仮想マシンやインタラクション方法を抽象化しますコンフィグレーションから見ていきましょうこれはハードウェアを定義するものでその作成は Apple Storeで購入する Macをカスタムするのに似ています CPUの数やメモリの大きさデバイスの種類を定義します単純なコンフィグレーションから始めましょうコンテンツを表示するディスプレイを加えますタイプができるようキーボードを追加します UIを使うトラックパッドを加えます仮想マシンのコンフィグレーションはこれで完了ですしかし相手は仮想マシンなので全てコードで行います Swiftでどのように書けるか見てみましょうハードウェアの定義は非常に単純です VZVirtualMachineConfiguration オブジェクトから始めます全コンフィグレーションのルートオブジェクトです次にマシンが持つ CPUの数を決めましょうここでは 4 CPUです次はメモリの大きさですここでは4GBのメモリを与えています最後にマシンの持つデバイスの定義ですこの例では単一のストレージデバイスとマウスなどのポインティングデバイスを設定します多くのデバイスが用意されていて解決したい問題に応じて選ぶことになりますではコンフィグレーションです VZVirtualMachineConfigurationで始まりますそこに CPUやメモリデバイスを追加します次に仮想マシンオブジェクトを見ていきます
Macのコンフィグレーションが終わると郵送で届きます中身を開けて始めましょうですが相手は仮想マシンなのでコードを使って行います Swiftでどのようにできるか見てみましょうまずは VZVirtualMachineのインスタンスをコンフィグレーションから作りますこれで仮想ハードウェアのインスタンスを抽象化しますさあ実際に動かせる仮想マシンができましたこのケースでは start() と呼び出して起動します仮想マシンとインタラクトしたい場合便利な他のオブジェクトが用意されています例えば仮想ディスプレイを表示したいなら VZVirtualMachineViewが使えますビューの作成から始めますビューで仮想マシンを “virtualMachine”と設定すれば準備完了ですこれで一般の NSViewと同様に使えるわけです Appに組み込めば仮想マシンのコンテンツが見られます
コンフィグレーションのまとめです VZVirtualMachineConfigurationから始まりそこから CPUやメモリやデバイスを定義しますコンフィグレーションから仮想マシンを作り仮想マシンオブジェクトを使います VZVirtualMachineが仮想マシン自体を抽象化し VZVirtualMachineViewがコンテンツを表示し仮想マシンの使用に役立つその他のオブジェクトもありますコンフィグレーションは仮想マシンの定義をかなり柔軟に行えます残念ながら1セッションでは全てをカバーできませんこのセッションではいくつかのコアとなる機能について見ていきますその他に関してはドキュメントがありますのでどうぞご覧になってください概要では仮想マシンの作り方を見ただけです次はフルOSの実行方法を見ていきましょうまずは macOSです Virtualizationフレームワークは AppleシリコンでmacOSをサポートします Appleシリコンで仮想化フレームワークを作った時 macOSとVirtualizationフレームワークを同時に開発しましたそのため仮想マシン内でmacOSを実行すると信じられないほどの効率になっていますそれでは内容ですまずは仮想マシンを仮想Macに変えるために必要なものについて次に仮想Macに macOSをインストールする手順ですそして macOS用の特別なデバイスについて最後は非常に重要なユースケースでホストと仮想Mac間のファイル共有です
ではコンフィグレーションです一般的な仮想マシンの作り方を見てきましたねそれを Macにするための特別なプロパティを追加しますではどのように仮想Macが作れるのでしょうか? まず特別なプラットフォームを定義しますプラットフォームとは特定の仮想マシンの全プロパティを保持するオブジェクトです仮想Macのハードウェアには特有の3つのプロパティがありますまずはハードウェアモデルで作りたい仮想Macのバージョンを特定するものです次に補助記憶装置でシステムが使用する不揮発性メモリのフォームです 3つ目はマシン識別子でマシンを示す特有の数字であり実際の Macに特有のシリアル番号があるのと同様ですプラットフォームができればほぼ準備完了ですが macOSをブートする方法が必要ですそのために使う特殊なブートローダがー macOSブートローダです Swiftでこの全てをどのように行うのでしょうか前と同じベースで始めますコードは概要で見たものと同じです VZMacPlatformConfigurationを作りますこれは仮想Mac用のプラットフォームオブジェクトですこの Mac用のハードウェアモデルが必要です前に保存したものを使います仮想マシンでは補助記憶装置はローカルのファイルシステム内のファイルに支えられていますここではファイルの URLから補助記憶装置を初期化します前に保存したものから VZMacMachineIdentifierを初期化しています新規にインストールする場合は新しい識別子を作成することもできます 3種のプロパティを設定しプラットフォームは準備完了ですあとはコンフィグレーションオブジェクトに設定するだけですこれでハードウェアは完了で次はブートする方法です VZMacBootLoaderでブートローダを設定しますこれでブートの準備完了です仮想Macの定義とその起動方法を見てきましたですがソフトウェアが必要でそのインストレーションを見ていきます macOSのインストールには3段階ありますまずはインストールしたいmacOSバージョンのリストアイメージをダウンロードしますこのバージョンと互換性のあるコンフィグレーションを作成する必要があります最後に互換性のある仮想マシンにリストアイメージをインストールしますまずはリストアイメージのダウンロードですリストアイメージはDeveloper Webからダウンロードできますが Virtualizationでも対応可能です VZMacOSRestoreImage.latestSupportedを呼び出して最新の安定版の restoreImage オブジェクトが入手できますその中の URL ロパティでファイルがダウンロードできますダウンロードした macOSと互換性のある仮想マシンを作っていきますここでも仮想化を使えますリストアイメージオブジェクトに構成要件を問い合わせますリストアイメージが現状のシステムで実行可能であれば要件を列挙したオブジェクトが出てきます要件からこのmacOSを実行するのに必要なハードウェアモデルが分かりますハードウェアモデルの復元方法は前に見ましたね新規で取得する方法をお見せします
要件の中に2つの有効なプロパティがありますこの macOSの実行に必要な CPUの数とメモリのサイズをオブジェクトが教えてくれますようやくインストレーションを始める準備ができましたコンフィグレーションから新たしい仮想マシンを作ります次にインストーラを作りますインストーラには2つの引数が必要で作成した互換性のある仮想マシンとダウンロードしたリストアイメージへのパスです install() を呼び出せばもう macOSの実行準備完了ですこれで仮想macを設定し macOSをインストールできますが Mac用の特別デバイスをいくつか見てみましょうまずは GPUアクセラレーションです GPU機能を仮想macに公開するグラフィック装置を作成しましたこれで仮想マシンでMetalの実行が可能になり macOSで素晴らしいグラフィックス性能が実現しますではやってみましょう
まずはグラフィック装置のコンフィグレーション作成ですここで使うのは VZMacGraphicsDeviceConfiguration 次はディスプレイの設置ですサイズとピクセル密度を決めてディスプレイを設定しますこれでデバイスのコンフィグレーションは準備完了ですここでもメイン構成オブジェクトに設置します仮想マシンのグラフィック装置として設置します
次は Macとインタラクトする新デバイスです macOS Venturaではトラックパッドのサポートを仮想macに加えていますこれによりローテーションピンチやズームなどジェスチャーの使用が可能になりましたこの新らしいデバイスには新しいドライバを使いますそれを使うためにはホストシステムと仮想マシンの両方でmacOS 13が必要です設定方法を見ましょうとても簡単です VZMacTrackpadConfigurationで新しいオブジェクトを作りますそれを仮想マシンのポインティングデバイスに設定しますこれで仮想macのビューでジェスチャーが使えます最後に頻繁に使われるホストシステムと仮想マシン間のファイル共有です macOS 12にはLinuxとファイル共有する Virtioが導入されています macOS Venturaでは macOSのサポートを追加しています仮想マシンと共有したいフォルダを選べるようになったのですホストシステムでの変更は瞬時に仮想マシンに反映されその逆も然りです設定してみましょう先ずは共有したいディレクトリで VZShareDirectoryを作ります次に共有オブジェクトを作りますここでは単一ディレクトリの共有に VZSingleDirectoryShareを使います VZMultipleDirectoryShareなら複数ディレクトリの共有も可能です共有ができたので今度はデバイスの作成です特別なものから始めますよファイルシステムデバイスはタグで識別されます macOS Venturaには特別なタグがあり仮想マシンにこのデバイスの自動マウントを指示しますここで使う特別なタグは macOSGuestAutomountTagですそしてデバイスを作り特別なタグを使います構成した単一ディレクトリから共有を設定します最後にデバイスをコンフィグレーションに追加します最後にデモですべてを一緒に見てみましょうまず最初は基本のコンフィグレーションです VZVirtualMachineConfigurationにあるのは CPUとメモリとキーボードとディスクのみです仮想macを作りたいのでプラットフォームの設定から始めていきますそのための createMacPlatformは上に定義してあります仮想mac作成に次に必要なのはブートローダです macOSのブート方法が分かるブートローダが必要ですそのためにプラットフォームのブートローダを VZMacOSBootLoader() に設定します次はデバイスの設定です高速グラフィック処理のために VZMacGraphicsConfigurationを設定しますオブジェクトを作成しディスプレイのサイズとピクセル密度を定義しコンフィグレーションに追加します次は新しいトラックパッドですポインティングデバイスを VZMacTrackpadConfigurationに設定するだけで終わりですできましたこれで仮想マシンを起動できますがもう少し続きますディレクトリの共有方法を見てきましたねここでやりましょうまずファイルシステムデバイスのコンフィグレーション作成ですその自動マウントを macOSに指示する特別タグを使いますよそして共有の定義ですファイルシステムのパスから単一ディレクトリを使います今編集中のプロジェクトを共有しましょう
デバイスをコンフィグレーションに追加して終わりです全て準備完了です Appを立ち上げます MacGraphicsデバイスを構成したので VZVirtualMachineViewでコンテンツが見えますウィンドウにはこのように表示されますこれで macOSを1から作成しました共有ディレクトリも編集中のプロジェクトも見えます最後に Linuxに移ります Virtualizationフレームワークは macOS Big Surの当初から Linuxをサポートしてきました macOS Venturaではいくつかの便利な新機能も追加されそれを皆さんにお見せします
まず Linuxディストリビューションを一切変更なしで仮想マシンに完全にイントールする方法を見ます次に LinuxのUIを示すために追加する新しいデバイスについて見ます最後に Rosetta 2を利用してLinuxバイナリを仮想マシンで実行する方法を見ていきますまずはインストールについてです実際のマシンの場合はインストーラ付きのISOファイルをダウンロードしますそしてISOファイルをフラッシュドライブに復元ドライブをコンピュータに差し込みそこからブートします仮想マシンの場合も同様のフローで行いますですがこの場合で使うのは仮想の USBドライブですやってみましょうダウンロードした ISOファイルのパスから URLを作りますファイルからディスクイメージのアタッチメントを作りますこれはデバイスに添付できるストレージの一部を表しています次に仮想ストレージデバイスを構成しますここでは USBストレージが欲しいので VZUSBMassStorageDeviceConfiguration を使いますそして最後はいつものようにメインのコンフィグレーションにデバイスを追加します USBデバイスの隣に出てきたもう1つのストレージデバイスのメインディスクが Linuxのインストール先ですこれで USBドライブができましたがそこからのブートが必要です macOS Venturaには EFIへのサポートが追加されています EFIは ARMとIntel両ハードウェアをブートする業界標準です仮想マシンにも同様のサポートを導入しました EFIにはブートディスカバリーの仕組みがありますこれによって USBドライブのインストーラが発見できます EFIは個々のドライブを見てブート可能なものを見つけますインストーラが見つかれば次に進みますインストーラ自体が EFIに次に使うドライブを教えますインストール後は EFIが Linux ディストリビューションを起動しますコードを使った EFIの設定方法を見てみましょうまず VZEFIBootLoaderでブートローダを作ります EFIはシャットダウンとブートの間の情報保存に不揮発性メモリが必要です EFI変数ストアと呼ばれています仮想マシンではファイルシステムのファイルによってこのようなストレージを支えられます新しい変数ストアを1から作っていきますこれで EFIができましたあとはコンフィグレーションのブートローダとしての設定です次は Linux仮想マシンの新機能グラフィックスです macOS Venturaでは Virtio GPU 2Dのサポートを追加しました Virtio GPU 2Dは準仮想化デバイスでこれにより Linuxがホストの macOSにサーフェスを提供できるのです Linuxがコンテンツを描画し描画されたフレームを Virtualizationフレームワークに渡し Virtio フレームワークがそれを表示します macOSと同様にVZVirtualMachineViewでこのコンテンツをAppに表示できますやってみましょう
デバイスの設定方法はmacOSの時と似ています VZVirtioGraphicsDeviceConfiguration を作りましょう仮想ディスプレイのサイズを定義していきます Virtio用語では仮想ディスプレイはスキャンアウトと言いますディスプレイのサイズでスキャンアウトを作ります最後に新しいデバイスをコンフィグレーションのグラフィックスデバイスに設定します仮想マシンのコンテンツ表示の準備ができましたデモで全てを通して見てみましょう中断した所から始めましょう Mac専用のコードを消去していきますそしてブート元のディスクを変更しましょうパスを Macドライブから Linuxドライブに取り替えます次に必要なのはブートローダです VZEFIBootLoaderでEFIを設定しますまず EFIブートローダオブジェクトを作成します次にそのファイルから変数ストアをロードします最後に EFIをブートローダとしてコンフィグレーションに設定しますこれでブート可能ですが UIを表示したほうがいいですねコンフィグレーションに Virtio GPUを追加しましょう VZVirtioGraphicsDeviceConfigurationでグラフィックスデバイスを作成します仮想ディスプレイのサイズでスキャンアウトを定義します Virtio GPUをグラフィックスデバイスとしてコンフィグレーションに設定します最後はマウスの作成です仮想USBのスクリーンコーディネートポインタデバイスを使って Linuxのマウスができました完了ですプロジェクトを実行できます EFIがディスクを見てブート可能か判断します Linuxは Virtio GPUデバイスで UIのコンテンツを表示しますマウスを使って Linuxとインタラクト可能です最後になりましたがLinuxでの Rosetta 2の利用方法を見てみましょう我々の多くは Mac上でのサービスの開発に熱心ですが一旦完成すると作成したバイナリは恐らく x86サーバーで実行する必要があります x86エミュレーションがこれに適していますがもっと良い方法があります macOS VenturaではRosetta 2のパワーを Linuxバイナリに導入しました
Rosetta 2は仮想マシン内の Linux x86-64バイナリを翻訳してくれますつまり好きな ARM Linux ディストリビューション上で x86-64 AppをRosettaで実行可能ですしかも高速です Macで使用してきたのと同じテクノロジーで信じられないほどの性能をみせてくれます使い方を見てみましょうまず Linuxに Rosettaへのアクセスを与えます使うのは macOSの時と同じファイル共有テクノロジーですフォルダ共有の代わりに VZLinuxRosettaDirectoryShareという特別なオブジェクトを使いますそして共有デバイスを作り Rosettaディレクトリ共有を設定し最後にまたデバイスをコンフィグレーションに設定しますこれで仮想マシンはRosetta使用ができます次に Linuxがいかにそれを利用できるかです
まずファイルシステムに共有ディレクトリをマウントします Linuxから Appを翻訳する Rosettaバイナリが見えます update-binfmtsを使って x86-64バイナリはRosettaで処理するようにシステムに指示しますこのコマンドを覚える必要はありません全てドキュメントされています Linuxは準備完了です起動したx86-64バイナリを Rosettaが翻訳します
Linuxセクション終了の前に全て合わせて見てみましょうスクラッチからインストールした完全な Linuxディストリビューションがあります Virtio GPU 2Dで UIが表示できます仮想マシン内では Rosettaで PHPサーバーを実行しています macOSホストから接続することができます
仮想マシンの作成がかつてないほどシンプルになりました Virtualizationフレームワークならほんの数行のコードで仮想マシンが実行できますまた仮想マシンは macOSで驚くほどの速さをみせます仮想化についての詳細はコードサンプルとドキュメンテーションをご覧ください是非このテクノロジーで可能性を広げてください (軽快な音楽)

let virtualMachine = VZVirtualMachine(configuration: configuration)
try await virtualMachine.start()

4:33 - Showing the virtual machine’s display

let virtualMachineView = VZVirtualMachineView()
virtualMachineView.virtualMachine = virtualMachine

7:43 - Start from the base

var configuration = VZVirtualMachineConfiguration()
configuration.cpuCount = 4
configuration.memorySize = (4 * 1024 * 1024 * 1024) as UInt64
configuration.storageDevices = [newBlockDevice()]
configuration.pointingDevices = [newPointingDevice()]

7:47 - Set up the platform

let platform = VZMacPlatformConfiguration()

let hardwareModel = VZMacHardwareModel(dataRepresentation: savedHardwareModel)
platform.hardwareModel = hardwareModel!

let auxiliaryStorage = VZMacAuxiliaryStorage(contentsOf: auxiliaryStorageURL)
platform.auxiliaryStorage = auxiliaryStorage

let machineIdentifier = VZMacMachineIdentifier(dataRepresentation: savedIdentifier)
platform.machineIdentifier = machineIdentifier!

configuration.platform = platform

8:31 - Boot loader

configuration.bootLoader = VZMacOSBootLoader()

9:16 - 1. Getting an image

let restoreImage = try await VZMacOSRestoreImage.latestSupported

try await download(restoreImage.url)

9:29 - 2. Create a compatible configuration

let requirements = restoreImage.mostFeaturefulSupportedConfiguration

guard let requirements = requirements else {
    // No compatible configuration.
    return
}

platform.hardwareModel = requirements.hardwareModel

configuration.cpuCount = requirements.minimumSupportedCPUCount
configuration.memorySize = requirements.minimumSupportedMemorySize

10:10 - 3. Install macOS

let virtualMachine = VZVirtualMachine(configuration: configuration)

let installer = VZMacOSInstaller(virtualMachine: virtualMachine,
                                 restoringFromImageAt: imageURL)
try await installer.install()

10:58 - Setting up GPU acceleration

let graphicsConfiguration = VZMacGraphicsDeviceConfiguration()
graphicsConfiguration.displays = [
    VZMacGraphicsDisplayConfiguration(widthInPixels: 1920,
                                      heightInPixels: 1200,
                                      pixelsPerInch: 80)
]

configuration.graphicsDevices = [graphicsConfiguration]

11:48 - Setting up the Mac trackpad

let trackpad = VZMacTrackpadConfiguration()
configuration.pointingDevices = [trackpad]

12:33 - Share a folder

let sharedDirectory = VZSharedDirectory(url: directoryURL, readOnly: false)
let share = VZSingleDirectoryShare(directory: sharedDirectory)

let tag = VZVirtioFileSystemDeviceConfiguration.macOSGuestAutomountTag
let sharingDevice = VZVirtioFileSystemDeviceConfiguration(tag: tag)
sharingDevice.share = share

configuration.directorySharingDevices = [sharingDevice]

16:10 - Setting up USB Mass Storage device configuration

let diskImageURL = URL(fileURLWithPath: "linux.iso")
let attachment = try! VZDiskImageStorageDeviceAttachment(url: diskImageURL, readOnly: true)
let usbDeviceConfiguration = VZUSBMassStorageDeviceConfiguration(attachment: attachment)

configuration.storageDevices = [usbDeviceConfiguration, createBlockDevice()]

17:27 - Booting Linux

let efi = VZEFIBootLoader()
efi.variableStore = VZEFIVariableStore(creatingVariableStoreAt: storeURL,
                                       options: [])
configuration.bootLoader = efi

18:24 - Setting up Virtio graphics

let virtioGPU = VZVirtioGraphicsDeviceConfiguration()
virtioGPU.scanouts = [
    VZVirtioGraphicsScanoutConfiguration(widthInPixels: 1280, heightInPixels: 720)
]

configuration.graphicsDevices = [virtioGPU]

21:02 - Setting up Rosetta

let rosettaDirectoryShare = try! VZLinuxRosettaDirectoryShare()
let directorySharingDevice = VZVirtioFileSystemDeviceConfiguration(tag: "RosettaShare")
directorySharingDevice.share = rosettaDirectoryShare

configuration.directorySharingDevices = [directorySharingDevice]

21:37 - Setting up Linux

mount -t virtiofs RosettaShare /mnt/Rosetta

sudo /usr/sbin/update-binfmts --install rosetta /mnt/Rosetta/rosetta \
  --magic "\x7fELF\x02\x01\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x02\x00\x3e\x00" \
  --mask "\xff\xff\xff\xff\xff\xfe\xfe\x00\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xfe\xff\xff\xff" \
  --credentials yes --preserve no --fix-binary yes

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