KVM 虛擬化原理探究— overview

標簽（空格分隔）： KVM

寫在前面的話

本文不介紹kvm和qemu的基本安裝操作，希望讀者具有一定的KVM實踐經驗。同時希望借此系列博客，能夠對KVM底層有一些清晰直觀的認識，當然我沒有通讀KVM的源碼，文中的內容一部分來自於書籍和資料，一部分來自於實踐，還有一些來自於自己的理解，肯定會有一些理解的偏差，歡迎討論並指正。本系列文章敬代表我個人觀點和實踐，不代表公司層面。

KVM虛擬化簡介

KVM 全稱 kernel-based virtual machine，由Qumranet公司發起，2008年被RedHat收購。
KVM實現主要基於Intel-V或者AMD-V提供的虛擬化平臺，利用普通的linux進程運行於虛擬態的指令集，模擬虛擬機監視器和CPU。KVM不提供硬件虛擬化操作，其IO操作等都借助QEMU來完成。

KVM有如下特點：

• guest作為一個普通進程運行於宿主機
• guest的CPU(vCPU)作為進程的線程存在，並受到宿主機內核的調度
• guest繼承了宿主機內核的一些屬性，比如huge pages(大頁表）
• guest的磁盤IO和網絡IO會受到宿主機的設置的影響
• guest通過宿主機上的虛擬網橋與外部相連

KVM整體架構

每一個虛擬機(guest)在Host上都被模擬為一個QEMU進程，即emulation進程。
我們創建一個虛擬機後，用普通的ps 命令就可以查看到。

?  ~ virsh list --all
 Id    Name                           State
----------------------------------------------------
 1     kvm-01                         running

?  ~ ps aux | grep qemu
libvirt+ 20308 15.1  7.5 5023928 595884 ?      Sl   17:29   0:10 /usr/bin/qemu-system-x86_64 -name kvm-01 -S -machine pc-i440fx-wily,accel=kvm,usb=off -m 2048 -realtime mlock=off -smp 2 qemu ....

可以看到，此虛擬機就是一個普通的Linux進程，他有自己的pid。並且有四個線程，線程數量不是固定的，但是至少會有三個（vCPU，IO，Signal)。其中有兩個是vCPU線程，有一個IO線程還有一個信號處理線程。

?  ~ pstree -p 20308
qemu-system-x86(20308)-+-{qemu-system-x86}(20353)
                       |-{qemu-system-x86}(20408)
                       |-{qemu-system-x86}(20409)
                       |-{qemu-system-x86}(20412)
                       

虛擬CPU

guest的所有用戶級別(user)的指令集，都會直接由宿主機線程執行，此線程會調用KVM的ioctl方式提供的接口加載guest的指令並在特殊的CPU模式下運行，不需要經過CPU指令集的軟件模擬轉換，大大的減少了虛擬化成本，這也是KVM優於其他虛擬化方式的點之一。

KVM向外提供了一個虛擬設備/dev/kvm，通過ioctl(IO設備帶外管理接口）來對KVM進行操作，包括虛擬機的初始化，分配內存，指令加載等等。

虛擬IO設備

guest作為一個進程存在，當然他的內核的所有驅動等都存在，只是硬件被QEMU所模擬（後面介紹virtio的時候特殊)。guest的所有硬件操作都會有QEMU來接管，QEMU負責與真實的宿主機硬件打交道。

虛擬內存

guest的內存在host上由emulator提供，對emulator來說，guest訪問的內存就是他的虛擬地址空間，guest上需要經過一次虛擬地址到物理地址的轉換，轉換到guest的物理地址其實也就是emulator的虛擬地址，emulator再次經過一次轉換，轉換為host的物理地址。後面會有介紹各種虛擬化的優化手段，這裏只是做一個overview。

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