1. KVM虚拟化理论知识

基本概念

虚拟化是指在一个物理上运行多台虚拟机，各虚拟机之间共享cpu、内存等资源，但在逻辑上是相互隔离的。这样的物理机被称为是宿主机，各个虚拟机被称为是客户机

虚拟化的本质是资源抽象化，将资源最小化，按需使用，从而提高资源利用率

Hypervisor（VMM）是虚拟机管理器，是虚拟化的核心，例如VMware Workstation就是一种Hypervisor，将物理机的硬件资源分给各个客户机，并保证彼此间的隔离

虚拟化的三种架构

1型：“裸机”型。宿主机不具有自己的操作系统，Hypervisor运行于硬件之上，相当于一个小型操作系统，负责管理和调动硬件资源。此时Guest OS需要进行一定修改，如添加驱动等；

2型：“托管”型。Hypervisor管理虚拟机，并将请求发送给宿主机的操作系统。这一架构性能差，请求指令需要依次经过Guest OS内核，Hypervisor，Host OS内核。例如，VMWare Workstation

3型：如容器技术，客户机不再拥有自己的操作系统，它将直接调用宿主机的实际资源，而不是虚拟化出的硬件资源。我的理解是指，在这种类型中，客户机不再像是一个独立计算机，而是一个个应用程序和运行这个程序的环境。将环境一起打包之后，就可以在任意机器上运行。

可结合后面的虚拟机分类一起理解

根据Hypervisor的虚拟机分类

前提知识：x86架构提供4个运行等级给操作系统和应用程序来调用硬件资源，其中Ring0为最高等级，Ring3为最低等级。以Linux+x86为例，操作系统内核需要直接调用硬件，因此它的代码运行在最高等级的Ring0上，而应用程序运行在Ring3上。这也是运行态和用户态需要切换的原因。

半虚拟化

Hypervisor运行在最高等级Ring0上，而Guest OS则运行在次等级Ring1上。客户机知道自己是在Ring1，并将修改自己的部分特权指令，以适应Hypervisor。

代表：Xen，VMware vSphere，Huawei FusionSphere

全虚拟化

同样的，Hypervisor运行在最高等级Ring0上，而Guest OS则运行在次等级Ring1上。但此时Guest OS不知道自己是虚拟机，而会像普通OS那样当作自己工作在Ring0上，因此不会进行修改。Hypervisor将捕获它的每一天指令，再交给宿主机OS

代表：KVM，VMware Workstation

操作系统虚拟化（容器）

不再有Guest OS，每个进程就像一个单独的虚拟机，拥有隔离出来处理的资源，根目录和内存空间等。此时应用程序及其依赖构成了一个可以独立运行的环境，能在任意宿主机上执行。这基于Linux内核中的namespace和cgroup实现

软件全虚拟化

用软件模拟任意硬件，但性能差，一般只用于研究测试。如QEMU

硬件辅助虚拟化

通过硬件实现的全虚拟化，通过修改CPU指令，Hypervisor仅捕获部分指令，加上是硬件上的修改，效率很快。常与全虚拟化结合形成硬件辅助全虚拟化，与全虚拟化相似但效率更高

虚拟机和容器

云平台中的虚拟机称为云主机

在传统虚拟化技术中，客户机被称为虚拟机，拥有自己的操作系统。容器技术中，虚拟机被容器替代

容器将应用程序及其依赖打包，以实现彼此隔离。容器不需要单独的操作系统，它本身就是一个运行应用程序的环境，不同容器共享宿主机的操作系统

容器更加轻量，启动迅速，更适合用在持续集成和持续部署（CI/CD）

Hypervisor管理工具对比

QEMU

软件模拟虚拟化，能够模拟出各种硬件

一种可以单独运行的软件，能够独立模拟出整个计算机。有两种工作模式，系统模式能够模拟出整个电脑系统，用户模式能够运行不同平台上的应用程序

KVM

KVM概念

KVM（Kernel-Based Virtual Machine）是一种基于Linux内核，采用硬件辅助的全虚拟化解决方案

KVM是一种轻量级的Hypervisor，它作为一个内核模块被集成在Linux内核中，主要负责虚拟机调度和内存管理两个方面

通过部署KVM，宿主机可以实现虚拟化功能，即能够在宿主机上创建多个虚拟机。但KVM不提供硬件模拟（即模拟出每一个虚拟机的内存、硬盘等）的功能，如无法模拟I/O外设，因此需要借助其他工具来模拟硬件设备，目前这个工具是QEMU。qemu能够模拟任意硬件，它经过修改与KVM结合，形成kvm-qemu，完成虚拟化功能。

KVM内核模块包括实现虚拟化的kvm.ko和处理相关的kvm_intel.ko（如果是AMD处理器，那就是kvm_amd.ko）两个部分。KVM本质上是一种管理虚拟机硬件设备的驱动，它将设备文件 /dev/kvm 暴露给宿主机，负责vCPU（虚拟机CPU）创建、内存分配、vCPU运行等

KVM的实现需要硬件支持，Intel VT 和 AMD -V 分别是intel和amd用于支持x86架构下虚拟化技术的相关cpu指令集，这些指令集在CPU硬件中引入。

KVM虚拟化组成

KVM由两个部分组成，分别是KVM Driver（内核态）和QEMU（用户态）

KVM Driver：负责CPU和内存的虚拟化，包括虚拟机创建、vCPU运行、内存管理等。它将拦截客户机的I/O请求，然后交给QEMU处理

QEMU：在KVM中作为一个普通的Linux进程，未客户机模拟出各种硬件设备，包括BIOS、PCI/PCIE总线、磁盘、网卡、显卡、声卡、键盘、鼠标等，并于KVM Driver交互

三种工作模式

1. 客户模式：执行非I/O的客户代码，虚拟机运行在这个模式下

2. 用户模式：用户执行I/O代码，QEMU运行在这个模式下

3. 内核模式：CPU调度和内存管理相关，KVM内核模块运行在该模式下

KVM属于宿主机的一部分，KVM与QEMU通过ioctl系统调用接口文件 /dev/kvm 进行交互

KVM工作原理

1. KVM内核模块被加载时（以Intel为例）：

        初始化内部数据结构

        KVM模块检测当前CPU，打开虚拟化模式开关（通过虚拟化相关寄存器CR4），然后执行通过VMXON指令将宿主机置于虚拟化的根模式（什么是根模式？）之下

        创建特殊设备文件 /dev/kvm，并等待来自用户空间的命令

2. 虚拟机的创建和运行依赖于KVM和QEMU的交互，这种交互是通过ioctl调用 /dev/kvm 文件实现。创建虚拟机时，KVM会返回一个文件句柄代表所创建的虚拟机。一个虚拟机就是一个kvm-qemu进程，与一般的Linux进程一样受Linux进程调度器管理

libvirt

Hypervisor例如kvm-qemu在使用时十分繁琐，加上Hypervisor种类众多，运用难度大。

libvirt是一个C语言库，其实质就是针对不同的Hypervisor命令做出了封装，并针对不同开发语言提供了api接口。libvirt运行在Hypervisor之上，能够管理包括XEN、KVM在内的多种Hypervisor，应用广泛。

目前主流Linux平台上的虚拟化管理工具都是基于libvirt开发的，例如virt-manager，virsh等

libvirt主要由三个部分组成，分别是API库，守护进程libvirtd，以及默认的命令行管理工具virsh

个人理解是虚拟机管理（命令行模式下）依赖于一系列Hypervisor命令，libvirt对这些命令进行封装并提供接口实现更加简洁的使用。更深入的理解可能需要在动手实践之后