Windows 11下用GCC的C++代碼實現的虛擬機需要終端輸入/輸出（如串口或虛擬控制臺）和網絡連接，但不需要完整的硬件設備（如磁盤、顯卡、USB 等）。在終端輸入/輸出方面，參考qemu的源代碼，但不調用qemu程序，可以使用 Linux 虛擬控制臺（TTY） 或 串口（Serial Console） 進行交互。模擬QEMU提供 的virtio-console 或 isa-serial 設備允許宿主機通過 stdio 或管道與虛擬機交互，這樣，虛擬機的 ttyS0（串口）會直接連接到宿主機的 stdio（終端）。網絡連接使用 virtio-net 或 用戶態網絡（SLIRP） 提供網絡訪問，這樣，虛擬機可以通過 NAT 方式訪問外部網絡（類似宿主機的網絡代理）。

以下是一個在Windows 11下使用GCC的C++實現輕量級虛擬機的方案，重點實現終端I/O和網絡功能，無需完整硬件模擬：

核心設計思路

1. 使用Windows Hypervisor Platform (WHP) - 微軟官方虛擬化API
2. 簡化設備模型 - 僅實現必要設備：
   • virtio-console 用于終端I/O
   • virtio-net + SLIRP 用于網絡
3. 主機交互：
   • 終端I/O通過標準輸入輸出重定向
   • 網絡通過用戶態NAT實現

代碼框架

#include <windows.h>
#include <winhvplatform.h>
#include <cstdio>
#include <thread>// 虛擬設備基類
class VirtDevice {
public:virtual void handle_io(uint16_t port, uint8_t* data, uint32_t size, bool is_write) = 0;virtual ~VirtDevice() {}
};// VirtIO 控制臺設備 (簡化版)
class VirtioConsole : public VirtDevice {
public:void handle_io(uint16_t port, uint8_t* data, uint32_t size, bool is_write) override {if (is_write) {// 虛擬機輸出 -> 宿主終端fwrite(data, 1, size, stdout);fflush(stdout);} else {// 宿主輸入 -> 虛擬機 (需異步處理)// 實際實現需用環形緩沖區和中斷機制}}
};// SLIRP網絡后端 (偽代碼)
class SlirpBackend {
public:void start_nat() {// 實現NAT網絡轉換// 使用WinSock API處理數據包轉發}
};// VirtIO 網卡設備
class VirtioNet : public VirtDevice {SlirpBackend slirp;
public:VirtioNet() { slirp.start_nat(); }void handle_io(uint16_t port, uint8_t* data, uint32_t size, bool is_write) override {// 網絡包處理邏輯if (is_write) {slirp.send_packet(data, size);  // 發送到外部網絡} else {slirp.recv_packet(data, size);  // 接收外部數據}}
};// 虛擬機管理器
class MiniVM {WHV_PARTITION_HANDLE partition;std::vector<VirtDevice*> devices;public:bool initialize() {// 1. 初始化Hyper-V分區WHV_PARTITION_HANDLE partition;CHECK(WHvCreatePartition(&partition));// 2. 設置基礎CPU特性WHV_PARTITION_PROPERTY prop{};prop.ProcessorCount = 1;WHvSetPartitionProperty(partition, WHvPartitionPropertyCodeProcessorCount, &prop);// 3. 分配內存 (示例: 512MB)const SIZE_T ramSize = 512 * 1024 * 1024;WHvMapGpaRange(partition, physical_mem, 0, ramSize, WHvMapGpaRangeFlagReadWrite);// 4. 注冊設備devices.push_back(new VirtioConsole());devices.push_back(new VirtioNet());return true;}void run() {// CPU執行循環while (true) {auto exit_context = WHvRunVirtualProcessor(partition, 0);// 處理VM退出事件switch (exit_context->ExitReason) {case WHvRunVpExitReasonX64IoPortAccess: {auto io = &exit_context->IoPortAccess;for (auto dev : devices) {dev->handle_io(io->PortNumber, io->Data, io->AccessSize, io->Direction);}break;}// 其他退出處理...}}}void load_kernel(const char* kernel_path) {// 加載Linux內核到內存// 設置啟動參數 (指定console=ttyS0)}
};int main() {MiniVM vm;if (vm.initialize()) {vm.load_kernel("vmlinux.bin");vm.run();}return 0;
}

關鍵實現細節

1. 終端輸入輸出

• 設備模擬：
  • 實現virtio-console設備的簡化版
  • 使用I/O端口或MMIO與虛擬機通信
• 主機集成：
  • 輸出：直接寫入stdout
  • 輸入：使用獨立線程讀取stdin并注入輸入緩沖區
  • 啟用行緩沖：setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 0);

2. 網絡實現

• SLIRP架構：
• 關鍵功能：
  • DHCP服務：為虛擬機分配內網IP（如10.0.2.15）
  • DNS轉發：解析宿主機DNS配置
  • 端口轉發：實現-netdev user,hostfwd=tcp::2222-:22

3. 啟動配置

虛擬機啟動時需傳遞內核參數：

console=ttyS0 earlycon=uart8250,mmio,0x10000000 root=/dev/ram0

構建與運行

1. 依賴項：

   • Windows SDK (含Hypervisor Platform API)
   • GCC for Windows (MinGW-w64)
   • 虛擬化支持：啟用Hyper-V/WHPX

2. 編譯命令：

g++ -o minivm.exe main.cpp -lwinhvplatform -lws2_32

3. 運行示例：

# 啟動虛擬機
minivm.exe -kernel vmlinux -initrd initrd.img# 網絡測試 (從宿主機訪問)
telnet localhost 2222

性能優化建議

1. 批處理I/O：

   • 使用DMA代替端口I/O
   • 實現VIRTIO_F_ANY_LAYOUT特性

2. 異步網絡：

   • 使用IOCP完成端口
   • 零拷貝數據傳遞

3. 中斷合并：

   // 延遲中斷提交
   void VirtioConsole::schedule_irq() {if (!irq_pending) {irq_timer = setTimeout(1ms, [this]{inject_irq();irq_pending = false;});}
   }
   

此方案實現了核心功能，代碼約500行可完成基礎版本。實際開發中需處理更多邊界情況，建議參考QEMU的hw/char/virtio-console.c和net/slirp實現細節。