《KVM实战：原理、进阶与性能调优》一2.2　KVM架构概述

2.2　KVM架构概述

       上一节介绍了CPU、内存、I/O等硬件虚拟化技术。KVM就是在硬件辅助虚拟化技术之上构建起来的虚拟机监控器。当然，并非要所有这些硬件虚拟化都支持才能运行KVM虚拟化，KVM对硬件最低的依赖是CPU的硬件虚拟化支持，比如：Intel的VT技术和AMD的AMD-V技术，而其他的内存和I/O的硬件虚拟化支持，会让整个KVM虚拟化下的性能得到更多的提升。
       KVM虚拟化的核心主要由以下两个模块组成：
       1）KVM内核模块，它属于标准Linux内核的一部分，是一个专门提供虚拟化功能的模块，主要负责CPU和内存的虚拟化，包括：客户机的创建、虚拟内存的分配、CPU执行模式的切换、vCPU寄存器的访问、vCPU的执行。
       2）QEMU用户态工具，它是一个普通的Linux进程，为客户机提供设备模拟的功能，包括模拟BIOS、PCI/PCIE总线、磁盘、网卡、显卡、声卡、键盘、鼠标等。同时它通过ioctl系统调用与内核态的KVM模块进行交互。
       KVM是在硬件虚拟化支持下的完全虚拟化技术，所以它能支持在相应硬件上能运行的几乎所有的操作系统，如：Linux、Windows、FreeBSD、MacOS等。KVM的基础架构如图2-8所示。在KVM虚拟化架构下，每个客户机就是一个QEMU进程，在一个宿主机上有多少个虚拟机就会有多少个QEMU进程；客户机中的每一个虚拟CPU对应QEMU进程中的一个执行线程；一个宿主机中只有一个KVM内核模块，所有客户机都与这个内核模块进行交互。

       2.3　KVM内核模块

        KVM内核模块是标准Linux内核的一部分，由于KVM的存在让Linux本身就变成了一个Hypervisor，可以原生地支持虚拟化功能。目前，KVM支持多种处理器平台，它支持最常见的以Intel和AMD为代表的x86和x86_64平台，也支持PowerPC、S/390、ARM等非x86架构的平台。
        KVM模块是KVM虚拟化的核心模块，它在内核中由两部分组成：一个是处理器架构无关的部分，用lsmod命令中可以看到，叫作kvm模块；另一个是处理器架构相关的部分，在Intel平台上就是kvm_intel这个内核模块。KVM的主要功能是初始化CPU硬件，打开虚拟化模式，然后将虚拟客户机运行在虚拟机模式下，并对虚拟客户机的运行提供一定的支持。
        KVM仅支持硬件辅助的虚拟化，所以打开并初始化系统硬件以支持虚拟机的运行，是KVM模块的职责所在。以KVM在Intel公司的CPU上运行为例，在被内核加载的时候，KVM模块会先初始化内部的数据结构；做好准备之后，KVM模块检测系统当前的CPU，然后打开CPU控制寄存器CR4中的虚拟化模式开关，并通过执行VMXON指令将宿主操作系统（包括KVM模块本身）置于CPU执行模式的虚拟化模式中的根模式；最后，KVM模块创建特殊设备文件 /dev/kvm 并等待来自用户空间的命令。接下来，虚拟机的创建和运行将是一个用户空间的应用程序（QEMU）和KVM模块相互配合的过程。
       /dev/kvm 这个设备可以被当作一个标准的字符设备，KVM模块与用户空间QEMU的通信接口主要是一系列针对这个特殊设备文件的loctl调用。当然，每个虚拟客户机针对/dev/kvm文件的最重要的loctl调用就是“创建虚拟机”。在这里，“创建虚拟机”可以理解成KVM为了某个特定的虚拟客户机（用户空间程序创建并初始化）创建对应的内核数据结构。同时，KVM还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loctl调用可以对虚拟机做相应的管理，比如创建用户空间虚拟地址和客户机物理地址及真实内存物理地址的映射关系，再比如创建多个可供运行的虚拟处理器（vCPU）。同样，KVM模块会为每一个创建出来的虚拟处理器生成对应的文件句柄，对虚拟处理器相应的文件句柄进行相应的loctl调用，就可以对虚拟处理器进行管理。
       针对虚拟处理器的最重要的loctl调用就是“执行虚拟处理器”。通过它，用户空间准备好的虚拟机在KVM模块的支持下，被置于虚拟化模式中的非根模式下，开始执行二进制指令。在非根模式下，所有敏感的二进制指令都会被处理器捕捉到，处理器在保存现场之后自动切换到根模式，由KVM决定如何进一步   处理（要么由KVM模块直接处理，要么返回用户空间交由用户空间程序处理）。
除了处理器的虚拟化，内存虚拟化也是由KVM模块实现的，包括前面提到的使用硬件提供的EPT特性，通过两级转换实现客户机虚拟地址到宿主机物理地址之间的转换。
       处理器对设备的访问主要是通过I/O指令和MMIO，其中I/O指令会被处理器直接截获，MMIO会通过配置内存虚拟化来捕捉。但是，外设的模拟一般不由KVM模块负责。一般来说，只有对性能要求比较高的虚拟设备才会由KVM内核模块来直接负责，比如虚拟中断控制器和虚拟时钟，这样可以大量减少处理器模式切换的开销。而大部分的输入输出设备交给下一节将要介绍的用户态程序QEMU来负责。