[原] KVM 虚拟化原理探究（1）— overview

2023-02-26 15:34:15

KVM 虚拟化原理探究— overview

标签（空格分隔）： KVM

写在前面的话

本文不介绍kvm和qemu的基本安装操作，希望读者具有一定的KVM实践经验。同时希望借此系列博客，能够对KVM底层有一些清晰直观的认识，当然我没有通读KVM的源码，文中的内容一部分来自于书籍和资料，一部分来自于实践，还有一些来自于自己的理解，肯定会有一些理解的偏差，欢迎讨论并指正。本系列文章敬代表我个人观点和实践，不代表公司层面。

KVM虚拟化简介

KVM 全称 kernel-based virtual machine，由Qumranet公司发起，2008年被RedHat收购。

KVM实现主要基于Intel-V或者AMD-V提供的虚拟化平台，利用普通的Linux进程运行于虚拟态的指令集，模拟虚拟机监视器和CPU。KVM不提供硬件虚拟化操作，其IO操作等都借助QEMU来完成。

KVM有如下特点：

guest作为一个普通进程运行于宿主机
guest的CPU(vCPU)作为进程的线程存在，并受到宿主机内核的调度
guest继承了宿主机内核的一些属性，比如huge pages(大页表）
guest的磁盘IO和网络IO会受到宿主机的设置的影响
guest通过宿主机上的虚拟网桥与外部相连

KVM整体架构

每一个虚拟机(guest)在Host上都被模拟为一个QEMU进程，即emulation进程。

我们创建一个虚拟机后，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，此虚拟机就是一个普通的Linux进程，他有自己的pid。并且有四个线程，线程数量不是固定的，但是至少会有三个（vCPU，IO，Signal)。其中有两个是vCPU线程，有一个IO线程还有一个信号处理线程。

➜  ~ pstree -p 20308

qemu-system-x86(20308)-+-{qemu-system-x86}(20353)

                       |-{qemu-system-x86}(20408)

                       |-{qemu-system-x86}(20409)

                       |-{qemu-system-x86}(20412)

虚拟CPU

guest的所有用户级别(user)的指令集，都会直接由宿主机线程执行，此线程会调用KVM的ioctl方式提供的接口加载guest的指令并在特殊的CPU模式下运行，不需要经过CPU指令集的软件模拟转换，大大的减少了虚拟化成本，这也是KVM优于其他虚拟化方式的点之一。

KVM向外提供了一个虚拟设备/dev/kvm，通过ioctl(IO设备带外管理接口）来对KVM进行操作，包括虚拟机的初始化，分配内存，指令加载等等。

虚拟IO设备

guest作为一个进程存在，当然他的内核的所有驱动等都存在，只是硬件被QEMU所模拟（后面介绍virtio的时候特殊)。guest的所有硬件操作都会有QEMU来接管，QEMU负责与真实的宿主机硬件打交道。

虚拟内存

guest的内存在host上由emulator提供，对emulator来说，guest访问的内存就是他的虚拟地址空间，guest上需要经过一次虚拟地址到物理地址的转换，转换到guest的物理地址其实也就是emulator的虚拟地址，emulator再次经过一次转换，转换为host的物理地址。后面会有介绍各种虚拟化的优化手段，这里只是做一个overview。

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