Linux虚拟机工作原理,KVM虚拟机架构与原理详解

1. KVM架构

kvm基本结构有2个部分构成：

kvm 驱动，现在已经是linux kernel的一个模块了。其主要负责虚拟机的创建，虚拟内存的分配，VCPU寄存器的读写以及VCPU的运行。

另个组成是Qemu，用于模拟虚拟机的用户空间组件，提供I/O设备模型，访问外设的途径。

图1 kvm基本结构

kvm基本结构如上图。kvm已经是内核模块，被看作是一个标准的linux 字符集设备(/dev/kvm)。Qemu通过libkvm应用程序接口，用fd通过ioctl向设备驱动来发送创建，运行虚拟机命令。设备驱动kvm就会来解析命令(kvm_dev_ioctl函数在kvm_main.c文件中),如下图：

图2 kvm_dev_ioctl函数

kvm 模块让Linux主机成为一个虚拟机监视器(VMM)，并且在原有的Linux两种执行模式基础上，新增加了客户模式，客户模式拥有自己的内核模式和用户模式。在虚拟机运行时，三种模式的工作各为：

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。

用户模式：代表用户执行I/O指令，qemu运行在这个模式下。

内核模式：实现客户模式的切换，处理因为I/O或者其他指令引起的从客户模式退出(VM_EXIT)。kvm 模块工作在这个模式下。

在kvm的模型中，每一个Gust OS都是作为一个标准的linux进程，都可以使用linux进程管理命令管理。

这里假如qemu通过ioctl发出KVM_CREATE_VM 指令，创建了一个VM后，qemu需要需要发送一些命令给VM，如KVM_CREATE_VCPU。这些命令当然也是通过ioctl发送的，用户程序中用ioctl发送KVM_CREATE_VM得到的返回值就是新创建的VM对应的fd(kvm_vm)，fd是创建的指向特定虚拟机实例的文件描述符，之后利用这个fd发送命令给VM进行访问控制。kvm解析这些命令的函数是kvm_vm_ioctl。

2. KVM 工作原理

kvm基本工作原理概述：

用户模式的qemu利用libkvm通过ioctl进入内核模式，kvm模块未虚拟机创建虚拟内存，虚拟CPU后执行VMLAUCH指令进入客户模式。加载Guest OS并执行。如果Guest OS 发生外部中断或者影子页表缺页之类的情况，会暂停Guest OS的执行，退出客户模式出行异常处理，之后重新进入客户模式，执行客户代码。如果发生I/O事件或者信号队列中有信号到达，就会进入用户模式处理。(如下图)

图3 KVM工作原理流程图