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云计算底层技术之 KVM 初探

KVM是业界最为流行的Hypervisor ， 全称是Kernel-basedVirtualMachine 。 它是作为Linuxkernel中的一个内核模块而存在 ， 模块名为kvm.ko ， 也可以看作是一个进程 ， 被内核调度并管理 ， 从Linux2.6.20版本开始被完全正式加入到内核的主干开发和正式发布代码中 。 KVM主要用于管理CPU和内存的虚拟化 ， IO设备的虚拟化则是由Qemu来完成 。 为什么会有这样的分工 ， 请继续往下看 。
Qemu是一个纯软件实现的开源「模拟」软件 ， 它能够模拟整套虚拟机的实现 ， 包括CPU、内存、各种IO设备、鼠标、键盘、USB、网卡、声卡等等 ， 基本上没有它不能模拟的 。 有人可能会比较疑惑它跟KVM之间到底有何关系 ， 我们可以把它们看成是合作关系 ， 好基友 ， 谁都离不开彼此 。
KVM离不开Qemu 。 KVM实现初期 ， 为了简化开发和代码重用 ， 在Qemu的基础上进行了修改 ， 主要是将比较耗性能的CPU虚拟化和内存虚拟化部分移到了内核中实现 ， 保留IO虚拟化模块在用户空间实现 。 这样的做法主要是考虑到性能的原因 ， CPU和内存虚拟化是非常复杂的虚拟化模块 ， 而且使用非常频繁 ， 如果实现在用户空间的话 ， 用户态和内核态的频繁切换势必会对性能造成很大的影响 。 那为什么要单独保留IO虚拟化在用户空间呢 ， 这个也是权衡之下的结果 ， 首先IO设备太多了 ， 其次IO虚拟化相对其他两个模块使用不是很频繁 ， 开销会小一些 ， 所以 ， 为了尽可能保持内核的纯净性 ， 才有了这样的分配 。
Qemu离不开KVM 。 上面也说了 ， Qemu是一个纯软件的实现 ， 运行在用户空间 ， 性能非常低下 ， 所以 ， 从Qemu的角度 ， 可以说是Qemu使用了KVM的虚拟化功能 ， 为自身虚拟机提供加速 。
早期两者还没有区分（没有同居） ， KVM修改的模块叫qemu-kvm ， 到Qemu1.3版本之后 ， 两者就合二为一了（同居啦） ， 如果我们在用Qemu创建虚拟机时 ， 要加载KVM模块 ， 需要为其指定参数--enable-kvm 。
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KVM与Qemu的关系
KVM是基于硬件虚拟化（IntelVT或AMD-V）实现的一套虚拟化解决方案 ， 通过以上一个与Qemu关系的分析 ， 我们基本上知道它在虚拟化领域处在一个什么样的地位 。 它其实只负责CPU和内存的虚拟化 ， 不负责任何设备的模拟 ， 而是提供接口给用户空间的Qemu来模拟 。 这个接口是/dev/kvm ，
Qemu通过/dev/kvm接口设置一个虚拟机的地址空间 ， 然后向它提供模拟好的I/O设备 ， 并将相关的设备回显操作映射到宿主机 ， 完成整个I/O设备的虚拟化操作 。
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KVM架构
/dev/kvm接口是Qemu和KVM交互的“桥梁” ， 基本的原理是：/dev/kvm本身是一个设备文件 ， 这就意味着可以通过ioctl函数来对该文件进行控制和管理 ， 从而可以完成用户空间与内核空间的数据交互 。 在KVM与Qemu的通信过程主要就是一系列针对该设备文件的ioctl调用 。
我就拿创建虚拟机举个例子 ， 虚拟机本质上是宿主机的一个进程 ， 包括用户态数据结构和内核态数据结构 ， 用户态部分由Qemu创建并初始化 ， 内核态部分则由KVM来完成 ， 完成后会返回一个文件句柄来代表所创建的虚拟机 ， 针对该文件句柄的ioctl调用就可以对虚拟机进行相应的管理 ， 比如建立虚拟机地址空间和宿主机地址空间的映射关系 ， 创建多个线程（虚拟处理器 ， vCPU）来供虚拟机使用等 ， 对于创建出的vCPU ， 也会生成相应的文件句柄 ， 同样 ， 对vCPU的文件句柄的ioctl调用就可以对vCPU进行管理 。
关于这块的具体细节 ， 后面会有文章来专门讨论 。
目前 ， 虚拟化这个领域可以说是百花齐放 ， 针对不同的场景提出了很多的虚拟化解决方案 ， KVM、Xen、VMware、VirtualBox、Hyper-V等等 ， 具体的这些方案有什么特点 ， 可以看前文「虚拟化技术总览」 。 这么多方案势必有很多通用的模块 ， 不同之处可能在于 ， 与不同硬件厂商的适配上 ， 为了支持更多厂商 ， 以及应用更多的领域 ， 有很多IaaS解决方案需要融合多种虚拟化技术 。 这个时候如果有一个平台类的管理工具就会非常方便 ， libvirt就是这样一个工具 。
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libvirt架构
libvirt除了能够支持多种虚拟化方案之外 ， 还支持OpenVZ、LXC等容器虚拟化系统 。 它提供一套完善的虚拟机管理工具 ， 支持GUI和命令行的形式 ， 如virsh、virt-install、virt-manager 。 由于它的通用性和易管理 ， 很多云计算框架平台都在底层使用libvirt的API来管理虚拟机 ， 比如OpenStack、OpenNebula、Eucalyptus等 。 这个工具我们仅仅提一下 ， 有兴趣的可以装个玩玩 。
【云计算底层技术之 KVM 初探】下面给出KVM和Qemu的git路径 ， 有兴趣的可以把源码下下来研究下 。
kvm.git：gitclonegit://git.kernel.org/pub/scm/virt/kvm/kvm.gitqemu.git（包括了kvm）:gitclonegit://git.qemu-project.org/qemu.git


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