一文分析Linux虛擬化KVM-Qemu（概念篇）
說明：
KVM版本：5.9.1
QEMU版本：5.0.0
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作有且僅有：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(fā)；
本文作為開篇，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
什么是虛擬化？
虛擬化是一種資源管理技術，在非虛擬化系統(tǒng)中，單個操作系統(tǒng)管理和使用所有的硬件資源，而在虛擬化系統(tǒng)中，硬件資源可以被抽象和分割成多個虛擬的實體用于支持多個操作系統(tǒng)，多個操作系統(tǒng)可以共享所有的實體硬件資源，從而達到物理資源的最大化利用；
Virtual Machine Monitor(VMM)，虛擬機監(jiān)控器，也叫Hypervisor，向下管理實際的物理資源，向上給不同的虛擬機提供邏輯資源；Virtual Machine(VM)，虛擬機可以根據自己的選擇運行不同的OS（Guest OS），它會認為自己獨享硬件；虛擬化的好處就是能提高資源的利用率，比如當前計算機的配置資源都很高，實際的利用率比較低，如果進行統(tǒng)一管理并進行虛擬化，那就可以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
通過軟件模擬來實現VMM層，比如QEMU，還是以圖片來舉例說明下：
以典型的場景為例（ARM+Linux的模擬環(huán)境）：在PC機Ubuntu系統(tǒng)中使用Qemu來模擬ARM64處理器，并在ARM64中運行Guest OS，假設Guest OS也為Linux；
在沒有硬件虛擬化的支持下，QEMU本質上完成的工作是二進制的翻譯，這個問題怎么來理解呢？比如Guest OS運行時，APP和OS都認為自己是運行在ARM64中，執(zhí)行文件也都是交叉編譯器生成的，我們都知道不同的處理器架構，指令集都不一樣，ARM上運行的程序放置到X86運行是無法執(zhí)行的，Qemu的出現就可以解決這個問題，硬生生轉換翻譯過去；
Qemu的翻譯過程為：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；
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2.2.2 硬件虛擬化
純軟件行為來翻譯指令，顯然是一件很低效的事情，硬件虛擬化的支持可以提高整體的性能，硬件虛擬化指處理器本身提供能力來讓客戶機指令獨立運行。
KVM (Kernel-Based Virtual Machine)，基于內核的虛擬機，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攔截后交給Qemu去處理；KVM是內核的一個Module，可以讓Linux變成一個Hypervisor；KVM需要Host處理器本身支持虛擬化擴展，比如intel VT，AMD-V等；
2.3 半虛擬化和全虛擬化
半虛擬化（
Para-Virtualization）：客戶機操作系統(tǒng)知道自身運行在虛擬環(huán)境里，進行定制化修改，以配合Hypervisor進行工作，優(yōu)點是半虛擬化的架構更精簡，性能上有一定優(yōu)勢，缺點是客戶機OS需要修改，用戶體驗偏差；典型的半虛擬化技術
virtio，需要宿主機/Hypervisor和客戶機都安裝對應的驅動；全虛擬化（
Full Virtualization）：客戶機操作系統(tǒng)不需要任何改動，使用簡單，由于全虛擬化需要模擬出完整的，和物理平臺一樣的平臺給客戶機，因此也增加了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，還是在宿主機操作系統(tǒng)之上，可以將虛擬化分成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運行在宿主機操作系統(tǒng)之上，典型的比如：
VMware Workstation,?KVM等，Hypervisor只是宿主機操作系統(tǒng)的一個應用程序；
2. kvm-qemu框架
從上文的虛擬化分類來看，我們研究目標KVM+Qemu，是采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(tài)組成部分，它有兩種模式：1）Emulator，模擬器，模擬各種硬件，使用的是二進制翻譯技術；2）Virtualiser，虛擬機，通過ioctl與KVM內核模塊進行交互，完成虛擬化功能；Qemu為每個VM虛擬機創(chuàng)建一個進程，針對每個vCPU虛擬CPU創(chuàng)建一個線程，Guest的系統(tǒng)和應用運行在vCPU之上；Qemu能模擬I/O功能，而這部分功能KVM可能并不是全部支持，執(zhí)行流程如下：虛擬機VM中的程序執(zhí)行I/O操作，VM退出進入KVM，KVM進行判斷處理并將控制權交給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，依賴于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，并對虛擬化客戶機的運行提供一定的支持；
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，通常不由KVM模塊負責，只有對性能要求很高的虛擬設備才需要由KVM內核模塊來負責，因此也就有KVM + Qemu的組合方案了；
原文作者：LoyenWang
