Linux虚拟化的模式

三种虚拟化方式：完全虚拟化（Full virtualization）、硬件辅助虚拟化（Hardware-Assisted Virtualization）、半虚拟化（Paravirtualization）。

服务器上的虚拟化软件，多使用 qemu，其中关键字 emu，全称是 emulator，模拟器。所以，单纯使用 qemu，采用的是完全虚拟化的模式。

qemu 向 Guest OS 模拟 CPU，也模拟其他的硬件，GuestOS 认为自己和硬件直接打交道，其实是同 qemu 模拟出来的硬件打交道，qemu 会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从 qemu 里面过一手，因而性能就会比较差。

完全虚拟化是非常慢的，所以要使用硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT，AMD-V，所以需要 CPU 硬件开启这个标志位，一般在 BIOS 里面设置。

KVM 内核模块通过 /dev/kvm 暴露接口，用户态程序可以通过 ioctl 来访问这个接口。例如，你可以通过下面的流程编写程序。

Qemu 将 KVM 整合进来，将有关 CPU 指令的部分交由内核模块来做，就是 qemu-kvm (qemu-system-XXX)。

qemu 和 kvm 整合之后，CPU 的性能问题解决了。另外 Qemu 还会模拟其他的硬件，如网络和硬盘。同样，全虚拟化的方式也会影响这些设备的性能。

于是，qemu 采取半虚拟化的方式，让 Guest OS 加载特殊的驱动来做这件事情。

例如，网络需要加载 virtio_net，存储需要加载 virtio_blk，Guest 需要安装这些半虚拟化驱动，GuestOS 知道自己是虚拟机，所以数据会直接发送给半虚拟化设备，经过特殊处理（例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式），最终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。

至此，整个关系如下图所示。

• 虚拟化的本质是用 qemu 的软件模拟硬件，但是模拟方式比较慢，需要加速；
• 虚拟化主要模拟 CPU、内存、网络、存储，分别有不同的加速办法；
• CPU 和内存主要使用硬件辅助虚拟化进行加速，需要配备特殊的硬件才能工作；
• 网络和存储主要使用特殊的半虚拟化驱动加速，需要加载特殊的驱动程序。

此文章为11月Day27学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》，推荐该课程。