【原創】Linux虛擬化KVM-Qemu分析（一）

背景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

1. KVM版本：5.9.1
2. QEMU版本：5.0.0
3. 工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

• 從這篇文章開始，將開始虛擬化的系列研究了，大概會涉及到ARM64虛擬化支持、KVM、QEMU等分析；
• 虛擬化相關的實踐與操做有且僅有：VMware/VirtualBox等虛擬機使用、QEMU使用、QEMU源碼修改模擬IO設備；
• Show me the code，一切從源代碼出發；

本文做爲開篇，從宏觀方面來進行介紹，有個初步認識，不涉及到具體原理分析。

2. 概念

2.1 虛擬化

什麼是虛擬化？

• 虛擬化是一種資源管理技術，在非虛擬化系統中，單個操做系統管理和使用全部的硬件資源，而在虛擬化系統中，硬件資源能夠被抽象和分割成多個虛擬的實體用於支持多個操做系統，多個操做系統能夠共享全部的實體硬件資源，從而達到物理資源的最大化利用；
• Virtual Machine Motior(VMM)，虛擬機監控器，也叫Hypervisor，向下管理實際的物理資源，向上給不一樣的虛擬機提供邏輯資源；
• Virtual Machine(VM)，虛擬機能夠根據本身的選擇運行不一樣的OS（Guest OS），它會認爲本身獨享硬件；
• 虛擬化的好處就是能提升資源的利用率，好比當前計算機的配置資源都很高，實際的利用率比較低，若是進行統一管理並進行虛擬化，那就能夠支持更多的用戶來合理利用了；

2.2 軟件虛擬化和硬件虛擬化

2.2.1 軟件虛擬化

經過軟件模擬來實現VMM層，好比QEMU，仍是以圖片來舉例說明下：

• 以典型的場景爲例（ARM+Linux的模擬環境）：在PC機Ubuntu系統中使用Qemu來模擬ARM64處理器，並在ARM64中運行Guest OS，假設Guest OS也爲Linux；
• 在沒有硬件虛擬化的支持下，QEMU本質上完成的工做是二進制的翻譯，這個問題怎麼來理解呢？好比Guest OS運行時，APP和OS都認爲本身是運行在ARM64中，執行文件也都是交叉編譯器生成的，咱們都知道不一樣的處理器架構，指令集都不同，ARM上運行的程序放置到X86運行是沒法執行的，Qemu的出現就能夠解決這個問題，硬生生轉換翻譯過去；
• Qemu的翻譯過程爲：將Guest代碼指令翻譯成TCG(Tiny Code Generator)中間代碼，最終翻譯成Host架構支持的代碼指令；

2.2.2 硬件虛擬化

純軟件行爲來翻譯指令，顯然是一件很低效的事情，硬件虛擬化的支持能夠提升總體的性能，硬件虛擬化指處理器自己提供能力來讓客戶機指令獨立運行。

• KVM (Kernel-Based Virtual Machine)，基於內核的虛擬機，實現對CPU和內存的虛擬化，以及硬件I/O虛擬化的攔截，Guest的I/O被KVM攔截後交給Qemu去處理；
• KVM是內核的一個Module，可讓Linux變成一個Hypervisor；
• KVM須要Host處理器自己支持虛擬化擴展，好比intel VT，AMD-V等；

2.3 半虛擬化和全虛擬化

• 半虛擬化（Para-Virtualization）：客戶機操做系統知道自身運行在虛擬環境裏，進行定製化修改，以配合Hypervisor進行工做，優勢是半虛擬化的架構更精簡，性能上有必定優點，缺點是客戶機OS須要修改，用戶體驗誤差；
• 典型的半虛擬化技術virtio，須要宿主機/Hypervisor和客戶機都安裝對應的驅動；
• 全虛擬化（Full Virtualization）：客戶機操做系統不須要任何改動，使用簡單，因爲全虛擬化須要模擬出完整的，和物理平臺同樣的平臺給客戶機，所以也增長了Hypervisor的設計難度；

2.4 Type1虛擬化和Type2虛擬化

• 從軟件的框架角度，根據Hypervisor是直接在硬件之上，仍是在宿主機操做系統之上，能夠將虛擬化分紅Type1和Type2；
• Type1虛擬化：native/bare-mental Hypervisor，直接控制硬件資源和客戶機，典型的是Xen；
• Type2虛擬化：Hypervisor運行在宿主機操做系統之上，典型的好比：VMware Workstation, KVM等，Hypervisor只是宿主機操做系統的一個應用程序；

2. kvm-qemu框架

從上文的虛擬化分類來看，咱們研究目標KVM+Qemu，是採用硬件虛擬化技術的全虛擬化方案（Type2）。

• Qemu (Quick Emulator)：是虛擬化方案的用戶態組成部分，它有兩種模式：1）Emulator，模擬器，模擬各類硬件，使用的是二進制翻譯技術；2）Virtualiser，虛擬機，經過ioctl與KVM內核模塊進行交互，完成虛擬化功能；
• Qemu爲每一個VM虛擬機建立一個進程，針對每一個vCPU虛擬CPU建立一個線程，Guest的系統和應用運行在vCPU之上；
• Qemu能模擬I/O功能，而這部分功能KVM可能並非所有支持，執行流程以下：虛擬機VM中的程序執行I/O操做，VM退出進入KVM，KVM進行判斷處理並將控制權交給Qemu，由Qemu來模擬I/O設備來響應程序的I/O請求；
• KVM內核模塊，依賴於底層硬件的虛擬化支持，主要的功能是初始化CPU硬件，打開虛擬化模式，將虛擬化客戶機運行在虛擬機模式下，並對虛擬化客戶機的運行提供必定的支持；
• KVM內核模塊，實現CPU的虛擬化、內存的虛擬化等，而外設IO的虛擬化，一般不禁KVM模塊負責，只有對性能要求很高的虛擬設備才須要由KVM內核模塊來負責，所以也就有KVM + Qemu的組合方案了；

本文純當掃盲貼了，至於具體技術細節的深刻分析，後續會進行不按期更新。

3. 參考

《KVM實戰-原理、進階與性能調優》

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