玩主机必须要知道的：KVM架构与原理详解

1.KVM架构

KVM 基本上有两个组件构成：

1.  kvm 驱动  现在已经是Linux内核的一个模块了，它的作用主要是负责虚拟机的创建，虚拟内存的分配 虚拟CPU寄存器的读写和虚拟cpu的运行

2.  另一个组件是 Qemu    QEMU是一个通用的开源机器模拟器和虚拟器，其主要的功能是用于模拟虚拟机的用户空间组件，提供io 设备模型，访问外设的途径

Qemu 是什么？

Qemu 是纯软件设计的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备，我们最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机，虚拟机认为自己和虚拟机打交道，但其实是和Qemu模拟出来的硬件打交道，Qemu 将这些真正的指令转译给真正的硬件

正因为Qemu是纯软件实现的，所有的指令都要经过qemu过一手，性能非常低，所以，在生产环境中，所以在生产环境中，Qemu配合KVM来完成虚拟化工作，因为kvm是硬件辅助的虚拟化技术，主要负责比较繁琐的cpu虚拟化和内存虚拟化，而QEMU则负责IO设备虚拟化，两者合作发挥自身的优势，相得益彰

从本质上看，虚拟出的每个虚拟机对应宿主机上的一个QEMU 进程，而虚拟机的执行线路（cpu线路，io线路）对用qemu 进程中的一个线程，

下面通过启动一个虚拟机来讲解kvm 与QEmu是怎么交互工作的

// 第一步，获取到 KVM 句柄

kvmfd = open("/dev/kvm", O_RDWR);

// 第二步，创建虚拟机，获取到虚拟机句柄。

vmfd = ioctl(kvmfd, KVM_CREATE_VM, 0);

// 第三步，为虚拟机映射内存，还有其他的 PCI，信号处理的初始化。

ioctl(kvmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &mem);

// 第四步，将虚拟机镜像映射到内存，相当于物理机的 boot 过程，把镜像映射到内存。

// 第五步，创建 vCPU，并为 vCPU 分配内存空间。

ioctl(kvmfd, KVM_CREATE_VCPU, vcpuid);

vcpu->kvm_run_mmap_size = ioctl(kvm->dev_fd, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, 0); // 第五步，创建 vCPU 个数的线程并运行虚拟机。

ioctl(kvm->vcpus->vcpu_fd, KVM_RUN, 0);

// 第六步，线程进入循环，并捕获虚拟机退出原因，做相应的处理。

for (;;) { ioctl(KVM_RUN) switch (exit_reason) {

case KVM_EXIT_IO: /* ... */ case KVM_EXIT_HLT: /* ... */

} }

// 这里的退出并不一定是虚拟机关机，

// 虚拟机如果遇到 I/O 操作，访问硬件设备，缺页中断等都会退出执行，

// 退出执行可以理解为将 CPU 执行上下文返回到 Qemu。

Qemu 软件实现虚拟化的思路是二进制指令翻译技术，主要是提取客户端的代码指令，然后将其翻译成TCG中间代码，最后再将中间代码 翻译成物理机指定架构的代码，如X86体系就翻译成其支持的代码形式，ARM架构同理，

所以，从宏观上看，源码结构主要包含以下几个部分：

· /vl.c：最主要的模拟循环，虚拟机环境初始化，和 CPU 的执行。

· /target-arch/translate.c：将 guest 代码翻译成不同架构的 TCG 操作码。

· /tcg/tcg.c：主要的 TCG 代码。

· /tcg/arch/tcg-target.c：将 TCG 代码转化生成主机代码。

· /cpu-exec.c：主要寻找下一个二进制翻译代码块，如果没有找到就请求得到下一个代码块，并且操作生成的代码块。

其中，涉及的主要几个函数如下：

知道了这个总体的代码结构，再去具体了解每一个模块可能会相对容易一点。

KVM作用

kvm基本结构

Kvm 已经是内核模块，被看作是一个标准的Linux字符集设备 /dev/kvm

Qemu 通过kvmlib接口，用fd 通过ioctl 向设备驱动来发送创建，运行虚拟机命令，设备驱动/dev/kvm 就会来解析命令（kvm_dev_ioctl 在函数kvm_main.c中）

以下为kvm_dev_ioctl函数 执行的整个代码流程：

Kvm 模块让Linux 主机成为一个虚拟机监视/管理器（VMM),并且在原有的Linux 两种执行模式的基础上，新增加了客户模式，客户模式拥有自己的用户模式和内核模式，在虚拟机运行时，

三种运行模式分别为：

内核模式: 实现客户模式的切换，处理因为IO或者其他指令引起的客户模式退出（VM_EXIT） kvm 工作在                  这 个模式下，

用户模式：代表用户在IO模式下，执行QEMU 指令；

客户模式：执行非IO的客户代码，虚拟机运行在这种模式下

在kvm的模型中，每一个guest os 都是作为一个标准的Linux进程,都可以使用Linux进程管理管理命令！

这里假如Qemu 通过ioctl 发出KVM_CREAT_VM指令，创建一个VM后，qemu需要发送一个命令给VM,如KVM_CREAT_VCPU,这些命令当然也是通过ioctl发送的，用户程序中用ioctl通过发送KVM_CREAT_VM 指令后得到的返回值就是fd(KVM_VM),fd是创建的指向特定虚拟机实例的文件描述符，之后利用这个fd发送命令给VM进行访问控制。KVM 解析这些命令kvm_vm_ioctl

2.KVM工作原理

Kvm 工作原理的基本阐释：

用户模式的qume利用libkvm 通过ioctl进入内核模式，kvm 模块为虚拟机创建虚拟内存，虚拟cpu后执行VMLUACH指令进入客户模式。加载guest os并执行。如果guest os 发生外部中断，或者影子页表缺页之类的情况，会暂停guest os的执行，退出客户模式出行异常处理，之后重新进入客户模式，执行客户代码，如果发生iO事件或者信号队列中有信号到达，就会进入用户模式处理。

处理情况如下图

什么是虚拟机管理器vmm ，虚拟机管理器（vmm）有哪些，区别是什么？

虚拟机管理器（virtual machine monitor）是一个宿主程序，它支持一台计算机执行多个完全相同的执行环境，每位用户都会感觉自己在一台独立的计算机上，与其他用户相隔离的计算机上操作，尽管事实上为每位用户提供服务的都是同一台机器，在此种情况下，一台虚拟机就是由一个潜在的控制程序管理的操作系统

Vmm 是在底层对其上的虚拟机的管理和支持，以前的虚拟机必须现在一个作系统上安装虚拟机操作软件，然后再在操作软件上安装虚拟机，安装系统和应用。但现在的intel 的cpu 已经对虚拟化技术做了硬件支持，大多数的vmm可直接装在裸机上，在其上在安装几个虚拟机，这样就大大提升了虚拟化环境下的性能体验