KVM基本工作原理

下了很大决心挖这个坑，虽然之前对kvm有些了解，但纸上得来终觉浅，只有深入到代码层面，才能摈弃皮毛，看到血肉，看到真相。作为挖坑的奠基石，准备写上几篇：kvm基本工作原理、CPU调度原理、KVM内存管理、KVM存储管理、KVM设备管理。挖好之后进入正题。

所有的虚拟化都是两部分组成：虚拟机和宿主(HOST)，虚拟机内运行正常的业务程序，HOST则正常运行虚拟机，此处的虚拟机则是KVM，负责在HOST里面虚拟化出独立的OS环境。 KVM属于完全虚拟化，功能组件上由两部分组成，KVM Driver（内核态）和Qemu（用户态）。KVM Driver负责模拟虚拟机的CPU运行，内存管理，设备管理等；Qemu则模拟虚拟机的IO设备接口以及用户态控制接口。

kvm-oenhan

如上图所示，Qemu在最上层，将虚拟机的整体呈现到host用户上，可以理解成客户模式；Qemu通过中间层libkvm或者ioctl等控制/dev/kvm设备接口，从而掌握内核态中kvm驱动进行的资源分配，即用户态模式；kvm驱动接收用户态操作指令，控制虚拟机在内核态的资源分配，称之为内核模式。在HOST里面，客户模式的体现就是一个虚拟机内部环境，用户态则是虚拟机进程。

oenhan_kvm

上图是一个执行过程图，首先启动一个虚拟化管理软件，开始启动一个虚拟机，通过ioctl等系统调用向内核中申请指定的资源，搭建好虚拟环境，启动虚拟机内的系统，虚拟机内的系统向内核反馈相关资源申请处理，如果是io请求，则提交给用户模式下的qemu处理，非io请求则将处理结果反馈给客户模式。

libkvm是qemu自己使用的用户态接口，可以把qemu源代码解开，里面有libkvm的函数库，不过并不对外呈现，虚拟机编程接口一般使用libvirt。

KVM的思想是在Linux内个的基础上添加虚拟机管理模块,重用Linux内核中已经完善的进程调度,内存管理,IO管理等部分,因此KVM并不是一个完整的模拟器,而只是一个提供虚拟化功能的内核插件,具体的模拟器工作是借助QEMU来完成的.
 
  在Xen的体系结构中,Xen Hypervisor运行于硬件之上,并且将系统资源进行了虚拟化,将虚拟化的资源分配给上层的虚拟机(VM),然后通过虚拟机VM来运行相应的客户机操作系统.

  在KVM中,一个虚拟机就是一个传统的Linux中的线程,拥有自己的PID号,也可以被kill系统调用直接杀死(在这种情况下,虚拟机的行为表现为"突然断电").在一个Linux系统中,有多少个VM,就有多少个进程.如:

  以上VM进程信息是通过qemu-kvm来进行的,相关的控制开关作为命名行参数输入,如虚拟映像对应的磁盘,虚拟网卡,VNC设置,显卡设置和IO设置等.

  KVM的API是通过/dev/kvm设备进行访问的./dev/kvm是一个字符型设备.

1
[email protected]:~# ls -l /dev/kvm
2
crw-rw---- 1 root kvm 10, 232 Mar 14 14:20 /dev/kvm

  kvm仅仅是Linux内核的一个模块,管理和创建完整的KVM虚拟机,需要更多的辅助工具.
1.qemu-Kvm : 仅有KVM模块是远远不够的,因为用户无法直接控制内核模块去做事情,还必须有一个用户空间的工具。关于用户空间的工具,KVM 的开发者选择了已经成型的开源虚拟化软件 QEMU.QEMU 是一个强大的虚拟化软件,它可以虚拟不同的 CPU 构架.
 运行在内核态的KVM模块通过/dev/kvm字符设备文件向外提供操作接口.KVM通过提供libkvm这个操作库,将/dev/kvm这一层面的ioctl类型的API转化成为通常意义上的函数API调用,提供给QEMU的相应适配层. 
 比如说在x86 的CPU上虚拟一个Power的CPU,并利用它编译出可运行在 Power上的程序.KVM使用了QEMU的基于x86的部分,并稍加改造,形成可控制KVM内核模块的用户空间工具QEMU-KVM.所以Linux发行版中分为kernel部分的KVM内核模块和QEMU-KVM工具.这就是KVM和QEMU 的关系.

2.Libvirt, virsh, virt-manager:尽管QEMU-KVM工具可以创建和管理KVM虚拟机,RedHat为KVM开发了更多的辅助工具,比如 libvirt、libguestfs 等。原因是QEMU工具效率不高,不易于使用.Libvirt 是一套提供了多种语言接口的API,为各种虚拟化工具提供一套方便,可靠的编程接口,不仅支持KVM,而且支持 Xen 等其他虚拟机.使用 libvirt,你只需要通过 libvirt 提供的函数连接到 KVM 或 Xen 宿主机,便可以用同样的命令控制不同的虚拟机了.Libvirt不仅提供了 API,还自带一套基于文本的管理虚拟机的命令—— virsh,你可以通过使用 virsh命令来使用libvirt的全部功能。但最终用户更渴望的是图形用户界面,这就是 virt-manager.它是一套用 python编写的虚拟机管理图形界面,用户可以通过它直观地操作不同的虚拟机.Virt-manager 就是利用libvirt的API实现的。

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KVM  、Xen  、Vmware的比较

https://www.crazycen.com/linux/1421.html

目前市面上常用的虚拟机技术主要有KVM、xen、vmware。

KVM是指基于Linux内核（Kernel-based）的虚拟机（Virtual Machine）。KVM最大的好处就在于它是与Linux内核集成的，所以速度很快。KVM的宿主操作系统必须是Linux，支持的客户机操作系统包括Linux、Windows、Solaris和BSD，运行在支持虚拟化扩展的x86和x86_64硬件架构上，这意味着KVM不能运行在老式CPU上，新CPU如果不支持虚拟化扩展也不能运行（如英特尔的Atom处理器）。

Xen是一个开放源代码虚拟机监视器，由剑桥大学开发。Xen的缺点是操作系统必须进行显式地修改（“移植”）以在Xen上运行（但是提供对用户应用的兼容性），所以比较麻烦。使得Xen无需特殊硬件支持，就能达到高性能的虚拟化。Linux的官方内核在较早之前已经去掉了对Xen的支持。

VMWare (Virtual Machine ware)是一个“虚拟PC”软件公司。它的产品可以使你在一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、LINUX系统。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念。多启动系统在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器。VMWare是真正“同时”运行，多个操作系统在主系统的平台上，就象标准Windows应用程序那样切换。而且每个操作系统你都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，你甚至可以通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网，极其方便。安装在VMware操作系统性能上比直接安装在硬盘上的系统低不少，因此，比较适合学习和测试。

KVM、Xen、VMWare的对比如下表所示。

表1 KVM、Xen、VMWare的对比