一文带你深入了解KVM的基本原理

一、 概述

KVM的全称是Kernel-based Virtual Machine，其是一种基于linux内核的采用硬件辅助虚拟化威廉希尔官方网站 的全虚拟化解决方案。它最初由以色列的初创公司Qumranet开发，并在linux-2.6.20中开始被纳入在linux内核，成为内核源码的一部分。KVM自诞生之初就定位于基于硬件辅助的虚拟化来提供全虚拟化的支持，其以内核模块的形式被加载。加载KVM模块的linux内核相当于变成了一个Hypervisor，同时依赖linux内核提供的各种功能来实现硬件管理，拥有极高的兼容性及可扩展性。

上面提到KVM是作为一个内核模块出现的，所以它还得借助用户空间的程序来和用户进行交互，这就不得不提到大名鼎鼎的QEMU了。QEMU是一套由法布里斯·贝拉（Fabrice Bellard）所编写的以GPL许可证分发源码的interwetten与威廉的赔率体系 处理器，在GNU/Linux平台上使用广泛。

其本身是一个纯软件的支持CPU虚拟化、内存虚拟化及I/O虚拟化等功能的用户空间程序。其借助KVM提供的虚拟化支持可以将CPU、内存等虚拟化工作交由KVM处理，自己则处理大多数I/O虚拟化的功能，可以实现极高的虚拟化效率。KVM及QEMU配合使用的整体接口如图1所示。

QEMU尽管非常的强大，但也正是应为它的强大导致其对初学者非常的不友好。这里推荐大家刚开始学习KVM时可以先学习kvm tool，这是一个基于C语言开发的KVM虚拟化工具，其代码非常精简易懂，同时也可以支持完整的linux虚拟化，非常适合初学者入门使用。其项目地址为https://github.com/kvmtool/kvmtool。

二、 ARM64虚拟化支持

arm最早在armv7-a引入硬件虚拟化支持。到了armv8中，arm抛弃了armv7时代的特权级，引入了全新的Exception Level（EL），其如图2所示（armv8.4-A引入了对安全世界虚拟化的支持）。

图2

其中4个异常等级中的EL2留给Hypervisor用于各种虚拟化功能的访问及配置，如：stage 2转换、EL1/EL0指令和寄存器访问、注入虚拟异常等。

三、 CPU虚拟化

CPU被称为计算机的大脑，是计算机系统中最核心的模块。在没有CPU硬件虚拟化威廉希尔官方网站 之前都是使用二进制指令动态翻译威廉希尔官方网站 来实现对客户机操作系统中执行的执行（例如qemu的软件虚拟化），其不仅实现复杂而且效率非常低下。因此硬件虚拟化威廉希尔官方网站 应运而生，为KVM的诞生创造了必要的条件。

有时Hypervisor需要模拟一些操作，例如VM里运行的软件试图配置处理器的一些属性，如电源管理或是缓存一致性时。通常你不会允许VM直接配置这些属性，因为这会打破隔离性，从而影响其他VMs。这就需要通过以陷入的方式产生异常，在异常处理程序中做相应的模拟。armv8包含一些陷入控制来帮助实现陷入（trapping） – 模拟（emulating）。如果对相应操作配置了陷入，则这种操作发生时会陷入到更高的异常级别。

例如，正常我们在执行WFI指令时会使CPU进入一个低功耗的状态，但是对于HOST OS来说，如果让CPU真正进入低功耗状态，显然会影响其他VM的运行。如果我们配置了HCR_EL2.TWI==1时，那么Guest OS在执行WFI时就会触发EL2的异常，然后陷入Hypervisor，那么此时Hypervisor就可以将对应VCPU所处的线程调出出去，将CPU让给其他的VCPU线程使用。

图3

四、 内存虚拟化

内存虚拟化的目的是给虚拟客户机操作系统提供一个从0开始的连续的地址空间，同时在多个客户机之间实现隔离与调度。

arm主要通过Stage 2转换来提供对内存虚拟化的支持，其允许Hypervisor控制虚拟机的内存视图，而在这之前则是使用及其复杂的影子页表威廉希尔官方网站 来实现。Stage 2转换可以控制虚拟机是否可以访问特定的某一块物理内存，以及该内存块出现在虚拟机内存空间的位置。这种能力对于虚拟机的隔离和沙箱功能来说至关重要。

这使得虚拟机只能看到分配给它自己的物理内存。为了支持Stage 2 转换， 需要增加一个页表，我们称之为Stage 2页表。操作系统控制的页表转换称之为stage 1转换，负责将虚拟机视角的虚拟地址转换为虚拟机视角的物理地址。而stage 2页表由Hypervisor控制，负责将虚拟机视角的物理地址转换为真实的物理地址。虚拟机视角的物理地址在Armv8中有特定的词描述，叫中间物理地址（intermediate Physical Address， IPA）。

stage 2转换表的格式和stage 1的类似，但也有些属性的处理不太一样，例如，判断内存类型 是normal 还是 device的信息被直接编码进了表里，而不是通过查询MAIR_ELx寄存器。

图4

五、 I/O虚拟化

I/O设备作为一种外部设备，其虚拟化的实现相较于前面的CPU虚拟化及内存虚拟化有些不同，其目前主要有以下四种虚拟化方案。

1、 设备模拟：

在虚拟机监控器中模拟具体的I/O设备的特性，例如qemu。在KVM和qemu的组合中通过Hypervisor捕获Guest OS的I/O请求交给用户空间的qemu进行模拟，然后将结果再通过Hypervisor传递给Guest OS。这种方式能够提供非常好的兼容性但是性能太差，同时模拟设备的功能特性支持不够多。

2、 前后端驱动接口

在Hypervisor和Guest OS之间定义一种权限的适用于虚拟机的交互接口，比如virtio威廉希尔官方网站 。这个方案相较于设备模拟在性能上有所提高，但是兼容性较差，而且在高I/O负载场景，后端驱动的CPU占用较高。

3、 设备直接分配

将一个物理设备直接分配给Guest OS使用。此方式的性能显而易见，要比上面两种好很多，但是需要硬件设备支持，且无法共享和动态迁移。

4、 设备共享分配

此方式是设备直接分配的一个扩展，其主要就是让一个物理设备可以支持多个虚拟机功能接口，将不同的接口地址独立分配给不同的Guest OS使用。如SR-IOV协议。

参考文献：

1、《KVM实战：原理、进阶与性能调优》

2、https://segmentfault.com/a/1190000022797518

3、https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

编辑：jq