kvm虚拟机源码解析，kvm虚拟机原理

***：本文聚焦于KVM虚拟机的源码解析与原理。KVM（Kernel - based Virtual Machine）是一种基于内核的虚拟机技术。其原理涉及内核对硬件资源（如CPU、内存等）的管理与虚拟化，通过创建虚拟的硬件环境来运行多个虚拟机实例。对源码的解析有助于深入理解KVM如何实现资源分配、调度以及与宿主机系统的交互等核心功能，从而掌握KVM虚拟机高效运行多操作系统实例的底层机制。

本文目录导读：

1. KVM简介
2. KVM的核心组件
3. KVM中的内存管理原理
4. KVM中的CPU虚拟化原理
5. KVM的I/O虚拟化原理
6. KVM的性能优化策略

《深入探究KVM虚拟机原理：基于源码的解析》

KVM简介

KVM（Kernel - based Virtual Machine）是一种基于Linux内核的开源全虚拟化解决方案，它利用了Linux内核的功能，如进程调度、内存管理等，来实现虚拟机的创建、运行和管理，KVM在现代数据中心和云计算环境中得到了广泛的应用，因为它具有高性能、低开销和良好的可扩展性等优点。

KVM的核心组件

（一）KVM内核模块

1、模块加载与初始化

- 当加载KVM内核模块（通常通过modprobe kvm命令）时，它会进行一系列的初始化操作，在源码中，kvm_init函数是这个过程的关键部分，它首先进行一些基本的内核资源分配，例如为KVM相关的数据结构分配内存空间，这个函数会初始化一些全局变量，这些变量用于跟踪KVM系统的整体状态，如当前活动的虚拟机数量等。

- KVM内核模块会向内核注册一些必要的设备和操作函数，它会注册一个字符设备文件（/dev/kvm），这是用户空间与KVM内核模块交互的接口，用户空间的工具（如QEMU）通过对这个设备文件进行读写操作来控制虚拟机的创建、启动和管理。

2、虚拟机创建流程

- 在KVM中，创建一个虚拟机涉及多个步骤，用户空间通过ioctl系统调用向/dev/kvm发送创建虚拟机的请求，内核中的kvm_vm_ioctl_create函数会处理这个请求，这个函数会为新的虚拟机分配一个kvm结构体，这个结构体包含了虚拟机的各种属性和状态信息，如虚拟机的内存布局、CPU状态等。

- 会初始化虚拟机的内存管理相关的数据结构，KVM使用了Linux内核的内存管理机制，但是会为虚拟机创建独立的内存空间视图，在源码中，kvm_alloc_memslots函数负责为虚拟机分配内存槽（memslots），这些内存槽用于映射虚拟机的物理内存到宿主机的物理内存或者文件。

- 对于CPU的初始化，kvm_arch_vcpu_create函数会为虚拟机的每个虚拟CPU（vCPU）创建相应的vcpu结构体，这个结构体包含了虚拟CPU的寄存器状态、运行状态等信息，每个vcpu结构体都会与宿主机的物理CPU进行关联，以便在调度时能够正确地运行。

（二）用户空间工具（以QEMU为例）

1、与KVM内核模块的交互

- QEMU是一个广泛使用的开源模拟器，它可以与KVM协同工作来运行虚拟机，QEMU通过libkvm库与KVM内核模块进行交互，在QEMU的源码中，有专门的模块负责处理与KVM的通信，当QEMU启动时，它会首先打开/dev/kvm设备文件，然后通过一系列的ioctl调用向KVM内核模块发送指令。

- 在设置虚拟机的内存大小时，QEMU会构建一个包含内存大小信息的结构体，并通过ioctl将这个结构体发送给KVM内核模块，KVM内核模块根据接收到的信息，在内部调整虚拟机的内存管理数据结构。

2、模拟设备与I/O处理

- QEMU模拟了各种虚拟机设备，如网卡、磁盘、显卡等，对于I/O操作，QEMU采用了多种技术，当虚拟机中的设备发起I/O操作时，QEMU会截获这个操作，并根据设备的类型进行处理，对于磁盘I/O，QEMU可以将其映射到宿主机的文件系统中的文件，在源码中，qemu_blk_init函数用于初始化块设备相关的模拟逻辑。

- 对于网络I/O，QEMU可以使用多种网络模式，如用户模式网络（User - mode Networking）、桥接模式（Bridging）等，在用户模式网络中，QEMU会在用户空间模拟网络协议栈的一部分，而在桥接模式中，QEMU会将虚拟机的网络接口桥接到宿主机的物理网络接口上。qemu_net_init函数负责初始化网络相关的模拟逻辑。

KVM中的内存管理原理

（一）虚拟机内存映射

1、EPT（Extended Page Tables）机制

- 在支持硬件虚拟化扩展（如Intel VT - x）的系统中，KVM利用EPT机制来实现虚拟机的内存管理，EPT是一种嵌套页表技术，它允许虚拟机拥有自己独立的页表结构，同时又能与宿主机的内存管理系统协同工作，在KVM源码中，与EPT相关的代码主要集中在处理虚拟机内存访问的部分。

- 当虚拟机中的CPU访问内存时，硬件会首先查找虚拟机自己的页表（通过EPT机制），如果在虚拟机页表中找不到对应的页表项，就会触发一个缺页异常（Page Fault），这个缺页异常会被KVM内核模块捕获，然后KVM会根据缺页的地址和虚拟机的内存布局，在宿主机的内存中分配相应的物理页面，并更新虚拟机的页表和EPT页表。

2、影子页表（Shadow Page Tables）

- 在不支持EPT的系统中，KVM使用影子页表来实现虚拟机的内存管理，影子页表是一种软件实现的技术，它在宿主机的内存中为虚拟机创建一个影子版本的页表，当虚拟机的内存布局发生变化时，KVM需要同步更新影子页表，在源码中，有专门的函数负责维护影子页表的一致性，如kvm_mmu_sync_page函数，这个函数会比较虚拟机页表和影子页表的差异，并进行相应的更新操作。

（二）内存共享与隔离

1、共享内存机制

- KVM支持虚拟机之间以及虚拟机与宿主机之间的内存共享，在虚拟机之间共享内存可以提高内存利用率，例如在多个虚拟机运行相同的应用程序或者共享数据时，在源码中，kvm_share_memory函数用于设置共享内存区域，这个函数会在虚拟机的内存管理数据结构中标记出共享内存的范围，并设置相应的访问权限。

- 对于虚拟机与宿主机之间的共享内存，通常是通过将宿主机的一段内存映射到虚拟机的地址空间来实现的，这种共享内存机制在一些场景下非常有用，如在虚拟机中直接访问宿主机的设备驱动程序的共享缓冲区。

2、内存隔离保障

- 尽管有共享内存的情况，但KVM必须确保虚拟机之间以及虚拟机与宿主机之间的内存隔离，在内存管理的各个环节，KVM都采取了相应的措施，在内存分配时，每个虚拟机都有自己独立的内存槽（memslots），这些内存槽之间是相互隔离的。

- 在内存访问控制方面，无论是通过EPT还是影子页表，都严格限制了虚拟机对内存的访问范围，如果虚拟机试图访问不属于自己的内存区域，会触发异常并被KVM内核模块处理，以防止虚拟机之间的内存干扰或者对宿主机内存的非法访问。

KVM中的CPU虚拟化原理

（一）虚拟CPU（vCPU）的创建与管理

1、vCPU状态保存与恢复

- 每个虚拟CPU（vCPU）在KVM中有一个对应的vcpu结构体，这个结构体保存了vCPU的各种状态信息，如寄存器状态、运行状态等，当vCPU被调度暂停时，KVM需要保存它的当前状态，以便下次恢复运行，在源码中，kvm_vcpu_save函数负责将vCPU的寄存器状态等信息保存到vcpu结构体中。

- 当vCPU再次被调度运行时，kvm_vcpu_load函数会从vcpu结构体中恢复vCPU的状态，使得vCPU能够继续从上次暂停的地方继续运行，这个过程涉及到对各种寄存器（如通用寄存器、程序计数器等）的正确恢复操作。

2、vCPU调度

- KVM依赖于Linux内核的进程调度机制来调度虚拟CPU，在Linux内核中，每个vCPU在宿主机看来就像是一个普通的进程，当有多个vCPU需要运行时，内核的调度器会根据一定的算法（如CFS - Completely Fair Scheduler）来决定哪个vCPU可以获得CPU时间片。

- 在KVM源码中，有与调度相关的代码来确保vCPU能够正确地与宿主机的调度机制集成。kvm_arch_vcpu_put函数在vCPU让出CPU资源时被调用，它会通知内核调度器这个vCPU已经准备好被暂停，以便其他vCPU或者宿主机进程能够运行。

（二）指令模拟与执行

1、指令拦截与模拟

- 在KVM中，当虚拟CPU执行一些特殊的指令（如特权指令或者未被硬件虚拟化支持的指令）时，会被KVM内核模块拦截，在源码中，有指令拦截的相关逻辑，对于某些控制寄存器的访问指令，如果虚拟机中的vCPU试图直接访问这些指令，KVM会截获这个访问，并在模拟的环境中进行处理。

- 对于一些复杂的指令，KVM可能需要在用户空间（通过QEMU等工具）进行模拟，QEMU中有大量的代码用于模拟各种CPU指令，当KVM内核模块确定需要在用户空间模拟指令时，它会将相关的指令信息传递给用户空间，然后用户空间进行模拟执行，并将结果返回给KVM内核模块。

2、硬件虚拟化支持下的指令执行

- 在支持硬件虚拟化扩展（如Intel VT - x或AMD - V）的系统中，大部分的指令可以直接在硬件上执行，而不需要模拟，当虚拟CPU执行指令时，硬件会根据虚拟机的状态自动处理指令的执行，对于普通的算术运算指令和内存访问指令（在合法的范围内），硬件会直接执行这些指令，就像在物理CPU上运行一样，这大大提高了虚拟机的运行效率，因为减少了指令模拟的开销。

KVM的I/O虚拟化原理

（一）设备模拟与透传

1、设备模拟基础

- QEMU在KVM环境下模拟了大量的设备，如前所述的网卡、磁盘等，对于设备模拟，QEMU会在用户空间构建设备的模拟模型，以磁盘设备为例，QEMU会模拟磁盘的物理结构、读写操作等，在源码中，qemu_blk_aio_read和qemu_blk_aio_write函数分别用于模拟磁盘的异步读和写操作。

- 这些模拟函数会根据虚拟机发出的I/O请求，在宿主机的文件系统或者其他存储介质上进行相应的操作，对于网卡模拟，qemu_net_send_packet和qemu_net_receive_packet函数分别用于模拟网卡的发送和接收数据包的操作。

2、设备透传

- KVM支持设备透传技术，即将宿主机的物理设备直接分配给虚拟机使用，在源码中，有与设备透传相关的设置函数，当进行设备透传时，KVM会将宿主机设备的控制权直接交给虚拟机，使得虚拟机能够像在物理机上一样直接访问设备。

- 对于一个物理网卡的透传，KVM会配置硬件和内核相关的数据结构，使得虚拟机中的操作系统能够直接驱动这个网卡，这种设备透传技术可以提高设备的性能，因为减少了中间的模拟层带来的开销，设备透传也有一些限制，例如设备只能被一个虚拟机独占使用等。

（二）I/O中断处理

1、虚拟机内部中断处理

- 在虚拟机内部，当设备（模拟设备或者透传设备）产生中断时，虚拟机的操作系统会按照其自身的中断处理机制进行处理，当虚拟机中的网卡接收到一个数据包时，会触发一个中断，虚拟机的网络驱动程序会根据中断信号进行数据包的接收和处理。

- 在KVM中，为了支持虚拟机内部的中断处理，会在虚拟机的vcpu结构体和相关的设备模拟数据结构中设置中断相关的标志和处理函数，当虚拟机中的中断发生时，这些标志会被设置，然后虚拟机的操作系统会调用相应的中断处理函数。

2、宿主机与虚拟机之间的中断传递

- 当虚拟机中的设备需要将中断信号传递给宿主机（当虚拟机中的设备完成了一个长时间的I/O操作，需要通知宿主机进行后续处理）时，KVM会处理这个中断传递过程，在源码中，有专门的中断传递函数。

- 当虚拟机中的磁盘模拟设备完成了一个写操作，它可能会触发一个中断，这个中断会通过KVM内核模块传递给宿主机，宿主机接收到这个中断后，可以根据需要进行进一步的操作，如更新磁盘缓存等，当宿主机需要向虚拟机发送中断信号（通知虚拟机有新的网络数据包到达）时，KVM也会处理这个中断的注入过程，将中断信号正确地传递给虚拟机中的相应设备。

KVM的性能优化策略

（一）硬件优化利用

1、多核CPU利用

- KVM可以充分利用多核CPU的优势来提高虚拟机的性能，在多核系统中，KVM可以将不同的虚拟CPU（vCPU）分配到不同的物理核心上运行，在源码中，与多核CPU利用相关的代码主要体现在vCPU调度部分。

- KVM的调度逻辑会尽量避免将多个高负载的vCPU分配到同一个物理核心上，以减少CPU资源的竞争，KVM还可以利用多核CPU的缓存机制，通过合理的内存布局和数据分配，提高虚拟机之间以及虚拟机与宿主机之间的数据访问速度。

2、硬件虚拟化扩展支持

- 利用硬件虚拟化扩展（如Intel VT - x和AMD - V）是KVM性能优化的重要手段，这些硬件扩展可以直接在硬件层面处理很多虚拟机相关的操作，如内存管理和指令执行等，减少了软件模拟的开销。

- 在KVM源码中，有专门的代码用于检测和利用这些硬件虚拟化扩展，在虚拟机创建时，KVM会检测宿主机的CPU是否支持这些扩展，如果支持，则会启用相应的硬件辅助功能，在内存管理方面，如前面提到的EPT机制，就是利用了Intel VT - x的硬件特性来提高内存管理的效率。

（二）内存优化

1、大页内存（Huge Pages）使用

- KVM可以使用大页内存来提高内存管理的效率，大页内存是一种比普通页面（通常为4KB）更大的内存页，例如2MB或者1GB的页面，在KVM中，使用大页内存可以减少页表的级数，从而提高内存访问的速度。

- 在源码中，有相关的函数用于配置和管理大页内存的使用。kvm_alloc_hugepages函数用于为虚拟机分配大页内存，当使用大页内存时，KVM会调整虚拟机的内存映射和页表管理逻辑，以适应大页内存的特性。

2、内存预分配与回收优化

- 在虚拟机的运行过程中，KVM可以优化内存的预分配和回收机制，对于内存预分配，KVM可以根据虚拟机的配置和预期的负载情况，提前分配一定量的内存，以避免在虚拟机运行过程中频繁的内存分配操作。

- 在内存回收方面，KVM可以采用智能的回收策略，当虚拟机中的内存使用率较低时，KVM可以回收一部分暂时闲置的内存，重新分配给其他需要的虚拟机或者宿主机进程，在源码中，有相关的内存管理函数负责监控和调整内存的预分配和回收操作。

（三）I/O优化

1、异步I/O（Asynchronous I/O）应用

- 在KVM的I/O处理中，异步I/O的应用可以提高I/O性能，在磁盘I/O中，QEMU可以使用异步I/O技术，使得虚拟机中的磁盘读写操作不会阻塞虚拟机的其他操作，在源码中，qemu_aio_init函数用于初始化异步I/O相关的逻辑。

- 当虚拟机发起一个磁盘写操作时，异步I/O机制会将写操作提交到后台的I/O队列中，然后虚拟机可以继续执行其他任务，当写操作完成时，异步I/O机制会通知虚拟机相应的结果，同样，在网络I/O中，异步I/O也可以提高网络数据包的发送和接收效率。

2、I/O路径优化

- KVM可以优化I/O路径，减少I/O操作在宿主机和虚拟机之间的传输延迟，在设备透传的情况下，KVM可以通过优化硬件配置和内核数据结构，使得I/O数据能够更直接地在虚拟机和物理设备之间传输。

- 在模拟设备的I/O操作中，KVM和QEMU可以优化I/O请求的处理流程，减少不必要的中间环节，通过优化磁盘I/O请求的排队和调度机制，提高磁盘I/O的整体性能。

KVM虚拟机通过其精巧的内核模块设计、与用户空间工具的协同、在内存管理、CPU虚拟化、I/O虚拟化等方面的独特原理以及一系列的性能优化策略，成为了现代虚拟化技术中的重要一员，在云计算、数据中心等众多领域发挥着重要的作用。