深度理解 KVM:Linux 內核系統學習的重要角度


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深度理解 KVM:Linux 內核系統學習的重要角度

作者:嵌入式 Jerry


一、為什么開發者需要學習 KVM?

KVM (全稱 Kernel-based Virtual Machine),是 Linux 內核內置的虛擬化子系統。對于 BSP 工程師、系統工程師而言,KVM 不僅是一套虛擬化技術,更是一個進入 Linux 內核架構、高效資源管理、硬件抽象經驗的重要入口。


在這里插入圖片描述

二、KVM 是什么?在內核里怎么實現?

基本概念

  • KVM 是一個屬于 Linux 內核的虛擬化模塊
  • 利用硬件虛擬化支持(Intel VT-x,AMD-V)
  • 每個 VM 是一個普通的 Linux 進程
  • KVM + QEMU = 完整虛擬機基礎架構

核心組件

組件作用
kvm.ko基礎 KVM 內核模塊
kvm-intel.kokvm-amd.ko根據 CPU 硬件同步 VMEXIT/虛擬指令
/dev/kvm用戶態與內核互操接口
QEMU虛擬 BIOS,虛擬硬件,用戶態設備模型

三、學習 KVM 能幫助我們了解什么?

1. 加深對 Linux 進程/線程/調度 等組技術的理解

  • 每個 vCPU 是一個 Linux 線程,等同于把 Guest CPU 展示為主機線程
  • 用戶態 VM 通過 /dev/kvm 與內核交互,通過 ioctl 啟動 VM
  • 內核通過 VMX 組技術,進行虛擬快照

實例:看看 VM 線程是否正常運行

ps -ef | grep qemu
cat /proc/`pidof qemu-system-x86_64`/status

2. 實際理解 MMU/頁表/內存映射

  • 不同 VM 有自己的 Guest page table,內核進行 shadow page 同步
  • 使用 Extended Page Table 擴展 CPU 虛擬內存

實例:查看主機頁表分配結果

cat /proc/meminfo | grep HugePages

3. 系統資源分配和隔離機制

  • KVM 使用 Linux 組織,支持 cgroup 限制資源
  • 設置 CPU 線程親和性:taskset, virsh vcpupin

實例:給 VM 給定線程線序組

taskset -c 1-3 qemu-system-x86_64 -smp 3 -enable-kvm [...]

4. 完整設備模型的構造

  • VirtIO 使用共享內存和 ring buffer 接口,構建高性能虛擬設備

實例:啟用 virtio-blk 磁盤

qemu-system-x86_64 [...other opts...] \-drive file=rootfs.img,if=virtio,format=raw

四、KVM 應用場景分析

場景說明
邊緣計算SoC 上運行多個客戶系統,實現快速應用切換
安全隔離把每個任務放入不同 VM,防止信息潰露
多系統調試同一個開發板進行多個 Linux/實時系統游玩
AI 模型分布兩個 VM 分別運行不同的模型,互不干擾
FPGA/專用硬件分布通過 VFIO + IOMMU 實現設備直通

五、如何學好 KVM?

1. 理解基礎理論

  • 虛擬化分類:Type 1 vs Type 2
  • VT-x / AMD-V 是什么?
  • 運行時 VMEXIT / VMENTRY 條件

2. 編譯和啟用 KVM

  • 內核打開 CONFIG_KVM
  • modprobe kvm-intel
  • ls /dev/kvm 確認設備

3. 實踐 QEMU + KVM 啟動虛擬機

qemu-system-x86_64 \-enable-kvm \-m 1024 -smp 2 \-kernel bzImage \-append "root=/dev/vda console=ttyS0" \-drive file=rootfs.ext4,format=raw \-nographic

4. 研究代碼/日志/分析模塊

  • 分析 arch/x86/kvm/ :虛擬指令和 VMX 操作
  • 分析 virt/kvm/ :KVM 核心 VM 管理邏輯
  • 分析 drivers/virtio/ :VirtIO 設備驅動
  • debugfs: /sys/kernel/debug/kvm/ :看虛擬中斷、vCPU 狀態

六、總結

學習 KVM,不是為了做 VM,而是以此為窗口,打通 Linux 內核調度、內存、中斷、設備管理等核心矩陣。


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