KVMKVM 简介 KVM 全称 Kernel-based Virtual Machine， 即基于 Linux 内核的虚拟化技术， 精确的说，就是 KVM VMM 的核心功能是通过一个 Linux 内核模块实现的。 “基于 Linux 内核”是 KVM 在软件实现上不同于其他 VMM 实现的最重要特点， 使得 KVM 在实现上能获得如下好处 :
- 利用 Linux 内核已有的功能和基础服务，减少不必要的重新开发。 如任务调度，物理内存管理，内存空间虚拟化，电源管理等功能，通常是一个 VMM 所必须具备的，但 KVM 可不必重新开发这些功能，直接使用 Linux 上已经相当成熟的技术。
- 利用强大的 Linux 社区，吸引优秀的 Linux 内核程序员参与到 KVM 的开发中， 壮大 KVM 的群体， 这些程序员以及红帽等 Linux 社区背后的厂商，也乐于在 Linux 上发展一个成熟的 VMM 技术。
- 可以长期享受 Linux 内核技术不断成熟和进步的好处，优化 KVM 的实现。 如 Linux 内核的 HugeTLBPage 技术可以用于削减 KVM 在虚拟机内存使用上的性能开销， eventfd 可以用于提升 KVM 内核执行路径和 Qemu-kvm 用户空间的交互效率。
KVM 在 VMM 的理论上属于硬件辅助的虚拟化技术， 即 KVM 需要利用 AMD-V 提供的虚拟化能力。AMD-V 让 KVM 上的虚拟机正常情况下运行在 “guest” 模式， 在执行敏感的的指令或行为时透明地切换到 “host” 模式，并在 “host”模式由 KVM VMM 的代码仿真那些敏感的指令或行为，完成后又回到“guest”模式由虚拟机运行其正常的代码。 KVM 的 VMM 代码实际上就是当虚拟机被捕获时才进入，执行仿真代码，然后又执行状态切换回到虚拟机代码直到其下一次被捕获，如此循环不断。 当然 KVM 的 VMM 在仿真复杂的行为时，可能需要用户空间的帮助， 所以 KVM 在此期间切换到用户空间。
KVM 在 Linux 上的实现 KVM 的 VMM 代码包括内核代码和用户空间代码俩部分。 内核代码即 kvm.ko 模块的代码，分布在内核源码的 virt/kvm 和 arch/x86/kvm 两个目录下， 前者是和硬件结构无关的代码， 后者是和硬件结构相关的代码，其中和 AMD-V 相关的代码由 arch/x86/kvm/svm.c 文件提供。KVM 内核空间代码实现的功能包括如下几个方面 :
1. 实现硬件辅助的虚拟化的核心功能。包括实现“guest”模式及模式切换，虚拟 CPU 的状态和控制，指令仿真等所有之前提到的 x86 虚拟化所要解决的问题。代码分布在 arch/x86/kvm 下 x86.c， svm.c， emulate.c 等文件中。
2. 提供用户空间对KVM控制。实现 /dev/kvm 字符设备接口用于 qemu-kvm 对 KVM 的控制，包括创建虚拟机，创建虚拟 CPU， 创建虚拟机内存空间，运行虚拟机等功能的 ioctl() 接口 . 其实现的 ioctl() 功能主要分成二类，针对单个虚拟机整体的功能和针对单个虚拟 CPU 的功能。 相关代码分布在 kvm_main.c， x86.c， svm.c 等文件中。
3. 对x86平台设备进行仿真。包括仿真 PIC，IOAPIC，Local APIC 及 PIT 的代码。
4. 实现IO Port空间和MMIO空间的仿真。这是实现平台设备和外部设备仿真所需要的基础功能。代码分布在 coalesced_mmio.c， iodev.h， emulate.c， x86.c 及 svm.c 等文件中。
5. 实现基于文件描述符的通知机制。代码在 eventfd.c 文件中。 其中 ioeventfd 机制用于内核空间仿真 PIO 后向用户空间发送通知， irqfd 机制用于 qemu-kvm 进程向虚拟机注入中断。
6.MMU虚拟化的支持。包括 shadow 页表的实现，TLB 的虚拟化。 主要代码在 mmu.c 文件中。
7. 和PCI-Passthrough相关的功能。代码分布在 kvm_main.c 和 iommu.c 中。当然对物理 IOMMU 单元的管理还需要 Linux 内核 IOMMU 设备抽象层的代码及厂家 IOMMU 驱动的代码，分别分布在 driver/base/iommu.c 及 arch/x86/kernel/ 下的 amd_iommu.c 和 amd_iommu_init.c 文件中。 对 IOMMU 的支持是独立于 KVM 的，它也可以被用于非系统虚拟化的情景。
用户空间的代码就是 qemu-kvm 的代码。 Qemu-kvm 是从 qemu 分支出来的项目 , 其目的就是利用传统 qemu 的功能，来实现各种虚拟设备的仿真，并提供对 KVM 进行控制的用户空间接口。Qemu-kvm 实现的功能包括如下方面 :
1. 实现与KVM内核接口的用户空间逻辑。包括对 x86 虚拟机 PC 结构的定义，虚拟机的创建，平台设备的创建，虚拟 CPU 的创建接口。
2. 各种层次和类型的硬件设备的仿真。包括 BIOS， PCI Hub，PCI 设备 ( 包括 USB 控制器，IDE 控制器，SCSI 适配器， 声卡，显卡，网卡等 )，USB 设备， IDE 磁盘， SCSI 磁盘。 Qemu-kvm 采用一个 qdev 的设备模型，来简化不同类型设备的仿真实现。
3. 虚拟块设备的不同磁盘Image文件格式的支持。包括 qcow2， qed， vmdk， vpc 等。 这方面的能力影响 KVM 平台的可管理性 ( 如快照 ) 及 KVM 虚拟化技术和管理软件的兼容性。
4.VNC，SPICE等表示层协议的支持。这方面的支持能力决定声卡，显卡的仿真在用户使用层次的效果。
5.Virtio设备的后端。VirtIO 是 KVM 上设备虚拟化的标准，即完全虚拟出来的网络和块设备，客操作系统端使用虚拟的前端驱动和 Qemu-kvm 实现的后端之间紧密合作实现的网络和块设备逻辑， VirtIO 设备的效率要远高于完全由 Qemu-kvm 仿真出的传统的网络和块设备。
6.QMP 协议的支持。 QMP 即 Qemu Monitor Protocol， 是虚拟化管理接口层，如 libvirtd， 用来控制和查询 Qemu-kvm 状态及信息的协议。
Qemu-kvm 的代码很大，笔者难以解释各代码文件实现的功能，但有必要介绍一下 qemu-kvm 代码的组织结构和编译过程， 弄清楚 qem-kvm 可执行文件是如何编译出来的，图一和图二的内容分别是经过笔者裁剪的 Qemu-kvm 的源码根目录和 x86_64-softmmu 目录下的 Makefile 文件 :
图 1. Qemu-kvm 的源码根目录 图 2. x86_64-softmmu 目录下的 Makefile 文件 结合这两个文件和 qemu-kvm 的源码树，笔者有如下几点说明：
1.Qemu-kvm可执行文件是通过X86_64-softmmu/Makefile制作的。根目录下的 Makefile 在调用 x86_64-softmmu/Makefile 之前需要编译 qemu-io， qemu-img， qemu-nbd 三个工具以及 libqemu_common.a 这个库。 libqemu_common.a 包含了所有和处理器结构及平台无关的代码，如 spice， vnc， usb 等协议的实现，qed，qcow2 等虚拟磁盘格式实现，Slirp， VDE 网络功能代码， 还有那些独立于系统平台的硬件设备的仿真代码。
2.Qemu-kvm可执行文件由“若干目标文件”和libqemu_common.a，libqemu.a，libqemuhw64.a三个库一起链接而成。其中 libqemu.a 所包含的代码主要是用于各种 CPU 结构的仿真的，在 qemu-kvm 中用不上。libqemuhw64.a 是通过 libhw64/Makefile 生成的，主要提供 x86 结构下特有的物理设备的仿真代码，如 Intel 的网卡 ne2000 的仿真。 “若干目标文件” 主要包含和虚拟化实现相关的内容， 有 x86 平台专有的部分如 vga，ide 等 x86 专用设备的仿真；还有和平台无关的部分，如 virtIO 设备的后端，e1000 等在多种平台上被使用的设备的仿真代码。
3.源码文件主要分布在源码根目录，以及hw/，block/，audio，net/，slirp/，ui/，QMP/与target-i386等子目录下。Libhw64/ 和 X86_64-softmmu/ 目录下不提供源码文件。
4. 子目录 Kvm/ 是一个独立的目录，其下面也包含 Makefile 和源码文件，是用来实现一个微小型的系统仿真器，用来测试 KVM 的内核提供的功能的，可以看成是一个高度简化的 qemu-kvm 的实现，和 qemu-kvm 本身没关系。初学读者可先学习 kvm/ 目录下的内容了解 KVM 内核提供的接口的功能。
5.Qemu-kvm 直接和 KVM 内核层相关的代码主要存在于 vl.c， kvm-all.c， qemu-kvm.c， target-i386/kvm.c 及 qemu-kvm-x86.c 中， 其中后两个文件是直接和 x86 硬件结构相关的。 |
