这篇文章将深入分析Linux中虚拟化技术的实现----KVM技术，从KVM技术的简介、技术架构、以及虚拟机和宿主机交互的重要处理逻辑出发，深入探究KVM技术的实现。

一、KVM简介：

首先，我们先查看一下KVM架构，看看它的整体工作流程：

上图展示了KVM（Kernel-based Virtual Machine）的架构及其与QEMU的交互。以下是对该架构的说明：

1. ‌KVM Guest（虚拟机客户机）‌：

   • ‌Applications（应用程序）‌：这是运行在虚拟机内的上层应用程序。
   • ‌File system and block devices（文件系统和块设备）‌ 和 ‌Drivers（驱动程序）‌：这些组件为应用程序提供对存储设备的访问。
   • ‌VCPU（虚拟CPU）‌：虚拟机内的虚拟处理器，图中展示了vcpu0到vcpuN，代表多个虚拟CPU。

2. ‌Hardware Emulation (QEMU)‌：

   • ‌QEMU（硬件模拟）‌：QEMU负责模拟硬件，使得虚拟机可以运行在不同于宿主机硬件的环境中。
   • ‌ioTHREAD‌：这是QEMU中的一个线程，负责生成I/O请求并处理这些请求,ioTHREAD代表虚拟机处理输入/输出操作，如读写磁盘数据。

3. ‌KVM (kvm.ko)‌：

   • ‌KVM模块（kvm.ko）‌：这是Linux内核中的一个模块，用于直接在内核中实现虚拟化功能。KVM本身不实现硬件模拟，而是与QEMU结合使用，通过QEMU进行硬件模拟。
   • ‌File system and block devices（文件系统和块设备）‌ 和 ‌Physical drivers（物理驱动程序）‌：这些组件用于连接KVM模块与实际的硬件，如磁盘。

4. ‌Hardware（硬件）‌：

   • ‌CPU（中央处理器）‌：物理CPU，被虚拟化为多个虚拟CPU（如cpu0, cpuN）供虚拟机使用。
   • ‌Disk（磁盘）‌：物理存储设备，被虚拟机通过文件系统和块设备访问。

‌KVM与QEMU的交互‌：

• QEMU通过IOTHREAD生成I/O请求并处理这些请求，这些请求代表虚拟机与硬件的交互。
• KVM模块（kvm.ko）在Linux内核中运行，管理虚拟机的VCPU，并与QEMU协作，确保虚拟机能够运行并访问硬件资源。
• 整个系统通过qemu_mutex机制确保在任何时刻只有一个线程可以运行QEMU代码，从而避免竞态条件和数据不一致。
• 在创建虚拟机时，QEMU会调用KVM提供的接口来创建虚拟机、分配vCPU等。同时，QEMU还负责模拟虚拟机的其他硬件设备，如网卡、串口等‌。
• 在虚拟机运行过程中，QEMU会发起对vCPU的运行请求，KVM则负责实际运行vCPU，并在需要时与QEMU进行交互，如处理I/O请求等‌。

总结来说，KVM和QEMU的结合提供了一种高效的虚拟化解决方案，KVM负责虚拟CPU的管理和调度，而QEMU则负责硬件模拟和I/O处理，两者紧密协作，使得虚拟机能够在宿主机上高效运行。

综上所述，QEMU和KVM通过特定的接口和机制进行交互，共同实现了虚拟机的创建、运行和I/O虚拟化处理等功能。

二、深入KVM工作流程：

通过下图来解析KVM的工作流程：

通过上图所示QEMU与KVM整体架构图，可以详细了解KVM（Kernel-based Virtual Machine）的工作流程。下面通过举例来说明KVM的工作流程：

1. ‌硬件平台与系统总线‌：

   • 图左侧显示了一个模拟平台，包含系统总线、VGA、PCI总线、内存及vCPU等硬件资源。这些资源通过QEMU进行模拟，并在宿主机上实现虚拟化。

2. ‌KVM API与主循环‌：

   • 宿主机内核中包含了KVM API（/dev/kvm），通过该接口用户空间的QEMU进程可以与内核中的虚拟化模块进行交互。
   • QEMU通过KVM API将虚拟机的指令和操作传递给KVM模块。

3. ‌虚拟机入口（VM Entry）‌：

   • 当虚拟机需要执行时，通过VM Entry进入虚拟机环境。此时，虚拟机的vCPU与宿主机上的物理CPU进行交互。
   • 网卡驱动、磁盘驱动和显卡驱动等虚拟机设备驱动通过gCR3表（影子页表）与宿主机资源进行映射和交互。

4. ‌虚拟机状态与挂起/恢复‌：

   • VMCS（Virtual Machine Control Structure）保存了虚拟机的状态，包括物理机状态和虚拟机状态。
   • 当虚拟机需要挂起时（例如，保存当前运行状态），其状态信息会被保存到VMCS中。
   • 恢复时，通过检查挂起的信号，如果满足进入Guest模式的条件，则通过handle exit处理退出事件，并重新进入虚拟机执行。

5. ‌应用程序与虚拟机‌：

   • 虚拟机中的应用程序1和应用程序2通过vCPU执行，vCPU通过影子页表（gCR3）访问宿主机资源。
   • 虚拟机中的操作通过VCPU与QEMU进行交互，QEMU再通过KVM API将操作传递给KVM模块处理。

‌示例说明‌：
假设有一个宿主机运行Linux操作系统，并在其上通过KVM和QEMU创建了一个Ubuntu虚拟机。

1. ‌启动虚拟机‌：

   • 用户启动QEMU进程，通过KVM API创建和初始化虚拟机的vCPU、内存和I/O设备等资源。
   • QEMU将虚拟机的指令和操作通过KVM API传递给KVM模块，KVM模块将这些操作映射到宿主机的物理CPU和内存上。

2. ‌虚拟机运行‌：

   • 虚拟机启动后，其vCPU通过VM Entry进入虚拟机环境，开始执行Ubuntu操作系统。
   • 虚拟机中的应用程序在vCPU上运行，并通过影子页表（也可使用EPT方式）访问宿主机的硬件资源，例如通过网络驱动访问网络，通过磁盘驱动访问存储设备等。

3. ‌挂起与恢复‌：

   • 假设虚拟机正在进行一个长时间的计算任务，用户决定暂时挂起虚拟机去处理其他事情。
   • QEMU通过KVM API将虚拟机的当前状态（包括CPU寄存器、内存状态等）保存到VMCS中。
   • 用户事情处理完后，决定恢复虚拟机，QEMU通过KVM API从VMCS中恢复虚拟机状态，并通过handle exit处理恢复逻辑，使虚拟机继续执行之前的任务。

本篇博客主要分析了KVM模块和QEMU的整体架构、以及它们是如何协同工作的，后面会深入内核源码去探究KVM模块的具体实现。

本博客的内容参考了书籍：《QEMU_KVM源码解析与应用》

欢迎大家一起来探讨虚拟化技术，后期我会针对KVM技术进行更深入的分析，并且会结合eBPF技术，分享如何去观测KVM模块，大家可以持续关注专栏《虚拟化技术》。