自从九十年代中后期以来，随着信息技术的进步，CPU、内存等基础计算部件的生产效率进一步提高，个人计算机内部充裕的计算资源为虚拟化相关技术的实施提供了强大的硬件平台。虚拟机技术再次成为当今世界研究计算机领域的热点问题。虚拟化开销是衡量虚拟机性能的最重要指标。当前，虚拟机软件的虚拟化开销仍不能让人们满意。因此，如何进一步降低虚拟化开销是我们面临的重要问题。　　 在虚拟机技术发展多年后，进一步降低虚拟化开销是相当复杂的问题。我们将采用“系统测试->定性分析->定量分析->关键技术->系统验证”的研究思路展开本文的研究。本文通过建立基于VMExit过程的虚拟化开销测试和分析方法，确定了系统优化方向。同时，为了探索虚拟机技术的新应用模式，本文研究和实现了一种轻型虚拟机软件(Light-weight Virtual Machine Monitor，LVMM)。在LVMM系统内，本文设计和测试验证了虚拟化开销优化关键技术。最后，本文在磁盘I/O特征分析应用领域验证了轻型虚拟机软件LVMM的实用性。本文主要贡献包括：　　 1.提出了一种轻型虚拟机软件LVMM。本文的轻型虚拟机软件LVMM定义了三种类型的域：服务域，活跃用户域和普通用户域。通过在内存虚拟化和I/O虚拟化方面的关键技术显著改善了LVMM虚拟化开销。目前，在综合应用负载测试的情况下，本轻型虚拟机软件的虚拟化开销比Xen3.0平均降低31.75％。　　 2.提出了基于Intel VT技术的虚拟机软件性能分析方法。通过分析和研究Intel VT技术的实现机制和虚拟化开销的构成要素，本方法把虚拟机软件的虚拟化开销归结为VM Exit的数量和长度两个关键因素。通过本方法，本文详细分析了Xen虚拟机软件在典型应用负载程序下的虚拟化开销。根据性能测试结果，我们分析和总结出了进一步设计轻型虚拟机软件和降低虚拟化开销的研究方向。测试数据显示，本虚拟化开销分析方法的误差小于10％。　　 3.为了探索轻型虚拟机软件的应用模式，本文研究了典型的LVMM应用场景---磁盘I/O特征分析。给出了基于轻型虚拟软件的高效在线磁盘I/O特征分析方法。本方法可以在不必改变用户操作系统和应用程序的情况下，高效地在线获取系统磁盘I/O特征。随后针对网络存储服务器集中I/O压力巨大的问题，设计和实现了基于在线磁盘I/O热点探测的轻型虚拟机磁盘缓存系统。测试和分析结果表明，基于在线磁盘I/O特征分析的虚拟机磁盘缓存系统是切实可行的，而且能够大幅度减少虚拟机系统的网络数据I/O量。