這篇文章將深入分析Linux中虛擬化技術的實現----KVM技術，從KVM技術的簡介、技術架構、以及虛擬機和宿主機交互的重要處理邏輯出發，深入探究KVM技術的實現。

一、KVM簡介：

首先，我們先查看一下KVM架構，看看它的整體工作流程：

上圖展示了KVM（Kernel-based Virtual Machine）的架構及其與QEMU的交互。以下是對該架構的說明：

1. ?KVM Guest（虛擬機客戶機）?：

   • ?Applications（應用程序）?：這是運行在虛擬機內的上層應用程序。
   • ?File system and block devices（文件系統和塊設備）? 和 ?Drivers（驅動程序）?：這些組件為應用程序提供對存儲設備的訪問。
   • ?VCPU（虛擬CPU）?：虛擬機內的虛擬處理器，圖中展示了vcpu0到vcpuN，代表多個虛擬CPU。

2. ?Hardware Emulation (QEMU)?：

   • ?QEMU（硬件模擬）?：QEMU負責模擬硬件，使得虛擬機可以運行在不同于宿主機硬件的環境中。
   • ?ioTHREAD?：這是QEMU中的一個線程，負責生成I/O請求并處理這些請求,ioTHREAD代表虛擬機處理輸入/輸出操作，如讀寫磁盤數據。

3. ?KVM (kvm.ko)?：

   • ?KVM模塊（kvm.ko）?：這是Linux內核中的一個模塊，用于直接在內核中實現虛擬化功能。KVM本身不實現硬件模擬，而是與QEMU結合使用，通過QEMU進行硬件模擬。
   • ?File system and block devices（文件系統和塊設備）? 和 ?Physical drivers（物理驅動程序）?：這些組件用于連接KVM模塊與實際的硬件，如磁盤。

4. ?Hardware（硬件）?：

   • ?CPU（中央處理器）?：物理CPU，被虛擬化為多個虛擬CPU（如cpu0,?cpuN）供虛擬機使用。
   • ?Disk（磁盤）?：物理存儲設備，被虛擬機通過文件系統和塊設備訪問。

?KVM與QEMU的交互?：

• QEMU通過IOTHREAD生成I/O請求并處理這些請求，這些請求代表虛擬機與硬件的交互。
• KVM模塊（kvm.ko）在Linux內核中運行，管理虛擬機的VCPU，并與QEMU協作，確保虛擬機能夠運行并訪問硬件資源。
• 整個系統通過qemu_mutex機制確保在任何時刻只有一個線程可以運行QEMU代碼，從而避免競態條件和數據不一致。
• 在創建虛擬機時，QEMU會調用KVM提供的接口來創建虛擬機、分配vCPU等。同時，QEMU還負責模擬虛擬機的其他硬件設備，如網卡、串口等?。
• 在虛擬機運行過程中，QEMU會發起對vCPU的運行請求，KVM則負責實際運行vCPU，并在需要時與QEMU進行交互，如處理I/O請求等?。

總結來說，KVM和QEMU的結合提供了一種高效的虛擬化解決方案，KVM負責虛擬CPU的管理和調度，而QEMU則負責硬件模擬和I/O處理，兩者緊密協作，使得虛擬機能夠在宿主機上高效運行。

綜上所述，QEMU和KVM通過特定的接口和機制進行交互，共同實現了虛擬機的創建、運行和I/O虛擬化處理等功能。

二、深入KVM工作流程：

通過下圖來解析KVM的工作流程：

通過上圖所示QEMU與KVM整體架構圖，可以詳細了解KVM（Kernel-based Virtual Machine）的工作流程。下面通過舉例來說明KVM的工作流程：

1. ?硬件平臺與系統總線?：

   • 圖左側顯示了一個模擬平臺，包含系統總線、VGA、PCI總線、內存及vCPU等硬件資源。這些資源通過QEMU進行模擬，并在宿主機上實現虛擬化。

2. ?KVM API與主循環?：

   • 宿主機內核中包含了KVM API（/dev/kvm），通過該接口用戶空間的QEMU進程可以與內核中的虛擬化模塊進行交互。
   • QEMU通過KVM API將虛擬機的指令和操作傳遞給KVM模塊。

3. ?虛擬機入口（VM Entry）?：

   • 當虛擬機需要執行時，通過VM Entry進入虛擬機環境。此時，虛擬機的vCPU與宿主機上的物理CPU進行交互。
   • 網卡驅動、磁盤驅動和顯卡驅動等虛擬機設備驅動通過gCR3表（影子頁表）與宿主機資源進行映射和交互。

4. ?虛擬機狀態與掛起/恢復?：

   • VMCS（Virtual Machine Control Structure）保存了虛擬機的狀態，包括物理機狀態和虛擬機狀態。
   • 當虛擬機需要掛起時（例如，保存當前運行狀態），其狀態信息會被保存到VMCS中。
   • 恢復時，通過檢查掛起的信號，如果滿足進入Guest模式的條件，則通過handle exit處理退出事件，并重新進入虛擬機執行。

5. ?應用程序與虛擬機?：

   • 虛擬機中的應用程序1和應用程序2通過vCPU執行，vCPU通過影子頁表（gCR3）訪問宿主機資源。
   • 虛擬機中的操作通過VCPU與QEMU進行交互，QEMU再通過KVM API將操作傳遞給KVM模塊處理。

?示例說明?：
假設有一個宿主機運行Linux操作系統，并在其上通過KVM和QEMU創建了一個Ubuntu虛擬機。

1. ?啟動虛擬機?：

   • 用戶啟動QEMU進程，通過KVM API創建和初始化虛擬機的vCPU、內存和I/O設備等資源。
   • QEMU將虛擬機的指令和操作通過KVM API傳遞給KVM模塊，KVM模塊將這些操作映射到宿主機的物理CPU和內存上。

2. ?虛擬機運行?：

   • 虛擬機啟動后，其vCPU通過VM Entry進入虛擬機環境，開始執行Ubuntu操作系統。
   • 虛擬機中的應用程序在vCPU上運行，并通過影子頁表（也可使用EPT方式）訪問宿主機的硬件資源，例如通過網絡驅動訪問網絡，通過磁盤驅動訪問存儲設備等。

3. ?掛起與恢復?：

   • 假設虛擬機正在進行一個長時間的計算任務，用戶決定暫時掛起虛擬機去處理其他事情。
   • QEMU通過KVM API將虛擬機的當前狀態（包括CPU寄存器、內存狀態等）保存到VMCS中。
   • 用戶事情處理完后，決定恢復虛擬機，QEMU通過KVM API從VMCS中恢復虛擬機狀態，并通過handle exit處理恢復邏輯，使虛擬機繼續執行之前的任務。

本篇博客主要分析了KVM模塊和QEMU的整體架構、以及它們是如何協同工作的，后面會深入內核源碼去探究KVM模塊的具體實現。

本博客的內容參考了書籍：《QEMU_KVM源碼解析與應用》

歡迎大家一起來探討虛擬化技術，后期我會針對KVM技術進行更深入的分析，并且會結合eBPF技術，分享如何去觀測KVM模塊，大家可以持續關注專欄《虛擬化技術》。