kvm虚拟机以哪种方式运行，kvm虚拟机是什么类型

***：KVM（Kernel - based Virtual Machine）是基于内核的虚拟机。它以内核模块的方式运行，直接在Linux内核中实现了对硬件的虚拟化支持。KVM属于寄居架构类型的虚拟机，需要依赖于宿主操作系统，它利用Linux内核提供的功能来进行内存管理、CPU调度等操作，从而在宿主机上创建多个隔离的虚拟机环境，每个虚拟机可运行自己的操作系统，具备高效、灵活等特点。

本文目录导读：

1. KVM虚拟机概述
2. KVM虚拟机的运行方式
3. KVM虚拟机在不同场景下的应用
4. KVM虚拟机的性能优化

《深入解析KVM虚拟机：基于内核的虚拟机运行方式全剖析》

KVM虚拟机概述

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Linux内核中的虚拟化功能，将Linux转变为一个虚拟机监视器（Hypervisor），KVM主要运行在x86架构（包括AMD64和Intel 64）的硬件上，也在逐步扩展对其他架构的支持。

（一）全虚拟化特性

1、硬件模拟的高效性

- 在全虚拟化模式下，KVM虚拟机向客户机（Guest）呈现出完整的硬件视图，它可以模拟出标准的x86硬件环境，包括CPU、内存、磁盘、网络接口等，对于客户机操作系统来说，它感觉就像运行在真实的物理硬件上一样，这种模拟是非常高效的，因为KVM充分利用了硬件的支持，现代的x86处理器大多支持硬件虚拟化技术（如Intel VT - x和AMD - V），KVM可以直接利用这些硬件特性来加速虚拟化过程，以CPU虚拟化为例，硬件辅助的虚拟化技术使得KVM能够在更短的时间内切换客户机的执行上下文，减少了虚拟化的开销。

2、广泛的操作系统支持

- KVM能够支持多种不同类型的客户机操作系统，无论是Windows操作系统（如Windows Server系列、Windows 10等），还是各种Linux发行版（如Ubuntu、CentOS、Red Hat Enterprise Linux等），甚至是其他类Unix操作系统（如FreeBSD等）都可以作为KVM虚拟机中的客户机操作系统运行，这是因为KVM提供了一个标准的硬件模拟环境，而大多数操作系统都可以在这样的标准硬件环境下正常安装和运行，许多企业需要在同一台物理服务器上运行Windows Server用于某些特定的企业应用（如Active Directory管理、Exchange Server等），同时运行Linux服务器用于Web服务、数据库服务等，KVM虚拟机就可以很好地满足这种需求。

（二）基于Linux内核的架构优势

1、资源管理与共享

- 由于KVM是基于Linux内核的，它可以充分利用Linux内核强大的资源管理功能，在内存管理方面，Linux内核的内存管理子系统可以为KVM虚拟机提供高效的内存分配和回收机制，内核可以根据虚拟机的实际需求动态分配内存，避免了内存的浪费，当虚拟机中的应用程序需要更多内存时，内核可以从物理内存中分配相应的页面给虚拟机；当虚拟机释放内存时，内核可以及时回收这些内存页面并重新分配给其他需要的进程或虚拟机，在磁盘I/O和网络I/O方面，Linux内核的I/O调度器和网络协议栈可以为KVM虚拟机提供优化的I/O处理，内核可以根据不同虚拟机的I/O负载情况，合理调度磁盘I/O请求，提高磁盘I/O的整体效率；对于网络I/O，内核可以通过网络协议栈的优化，提高虚拟机之间以及虚拟机与外部网络之间的通信效率。

2、安全性与隔离性

- Linux内核本身具有一定的安全机制，如访问控制列表（ACL）、用户和组权限管理等，KVM虚拟机可以继承这些安全特性，实现虚拟机之间以及虚拟机与宿主机之间的安全隔离，每个KVM虚拟机可以在Linux系统中被视为一个独立的进程，它们受到Linux进程权限管理的约束，虚拟机之间无法直接访问对方的内存空间、磁盘文件等资源，除非通过特定的网络或共享存储机制进行授权访问，这种安全隔离机制使得KVM非常适合在多租户环境中使用，如云计算数据中心，不同的租户可以在各自的KVM虚拟机中运行自己的应用程序，而不用担心其他租户的安全威胁。

KVM虚拟机的运行方式

（一）内核模块加载

1、KVM模块

- KVM作为一个内核模块存在于Linux系统中，当系统启动时，如果需要使用kvm虚拟机功能，相关的KVM内核模块（如kvm.ko、kvm - intel.ko或kvm - amd.ko，取决于硬件平台）会被加载到内核中，这个加载过程是通过Linux内核的模块加载机制实现的，在大多数基于Debian或Ubuntu的系统中，可以使用'modprobe'命令来加载KVM模块，一旦KVM模块被加载，它就成为了内核的一部分，能够直接访问内核的各种资源和功能。

- KVM模块主要负责管理虚拟机的核心功能，如虚拟机的创建、销毁、CPU和内存的分配等，它与Linux内核的其他部分紧密协作，它会与内核的调度器协作来调度虚拟机的执行，与内存管理子系统协作来分配和管理虚拟机的内存。

2、设备驱动模块

- 除了KVM核心模块外，还需要加载相关的设备驱动模块来支持虚拟机与硬件设备的交互，对于磁盘设备，可能需要加载virtio - blk.ko等模块来实现高效的磁盘I/O虚拟化，对于网络设备，virtio - net.ko等模块会被加载，这些设备驱动模块遵循特定的虚拟化标准（如virtio标准），它们在虚拟机和物理硬件设备之间建立了一座桥梁，virtio - blk.ko模块可以将虚拟机中的磁盘I/O请求转换为对物理磁盘的操作，并且通过优化的方式提高磁盘I/O的性能，与传统的模拟磁盘设备（如IDE或SCSI模拟）相比，virtio - blk.ko可以减少I/O操作的开销，提高磁盘读写速度。

（二）虚拟机的创建与启动

1、虚拟机配置文件

- 在创建KVM虚拟机之前，需要先定义虚拟机的配置文件，这个配置文件通常是一个XML格式的文件，其中包含了虚拟机的各种参数信息，虚拟机的名称、内存大小、CPU核心数、磁盘镜像文件的位置、网络配置等信息都会在配置文件中定义，以一个简单的CentOS虚拟机配置文件为例，可能会有如下内容：

```xml

<domain type='kvm'>

<name>centos - vm</name>

<memory unit='KiB'>2097152</memory>

<vcpu>2</vcpu>

<disk type='file' device='disk'>

<driver name='qemu' type='qcow2'/>

<source file='/var/lib/libvirt/images/centos - vm - disk.qcow2'/>

<target dev='vda' bus='virtio'/>

</disk>

<network type='network'>

<source network='default'/>

<model type='virtio'/>

</network>

</domain>

```

- 这里定义了虚拟机的名称为'centos - vm'，内存大小为2GB（2097152 KiB），2个CPU核心，磁盘镜像文件为'/var/lib/libvirt/images/centos - vm - disk.qcow2'，并且网络连接到名为'default'的网络，网络设备模型为'virtio'。

2、创建与启动过程

- 使用工具（如libvirt）来根据配置文件创建虚拟机，当创建虚拟机时，KVM会根据配置文件中的参数分配相应的物理资源，它会从物理内存中划出指定大小的内存区域给虚拟机，并为虚拟机分配指定数量的CPU核心，KVM会加载虚拟机的操作系统镜像（可以是从光盘镜像、磁盘镜像等），并启动虚拟机，在启动过程中，虚拟机的操作系统会进行初始化，就像在真实的物理硬件上启动一样，对于Linux客户机操作系统，它会进行内核初始化、挂载根文件系统、启动各种系统服务等操作。

（三）CPU虚拟化方式

1、硬件辅助虚拟化

- 在支持硬件辅助虚拟化（如Intel VT - x和AMD - V）的系统上，KVM充分利用这些硬件特性来实现CPU虚拟化，硬件辅助虚拟化通过在CPU中增加新的指令集和硬件结构，使得虚拟机的创建和运行更加高效，Intel VT - x引入了VMCS（Virtual - Machine Control Structure），它用于保存虚拟机的状态信息，当进行虚拟机切换时，KVM可以直接利用CPU的指令来快速保存和恢复VMCS中的信息，大大减少了切换的时间开销，这种硬件辅助的方式可以让KVM同时运行多个虚拟机，并且每个虚拟机都能获得接近物理CPU性能的处理能力。

2、软件模拟虚拟化（在无硬件支持时）

- 如果硬件不支持虚拟化技术，KVM仍然可以通过软件模拟的方式实现CPU虚拟化，不过，这种方式的性能相对较低，在软件模拟虚拟化中，KVM需要通过软件指令的转换来模拟CPU的操作，当客户机操作系统执行一条特权指令时，KVM需要捕获这条指令，并在宿主机上通过软件模拟的方式执行相应的操作，这种模拟过程会增加额外的开销，导致虚拟机的运行速度较慢，在一些老旧硬件或者不支持硬件虚拟化的特殊硬件上，软件模拟虚拟化仍然可以让KVM虚拟机运行起来，只是性能可能无法满足高负载的应用需求。

（四）内存虚拟化方式

1、影子页表（Shadow Page Tables）

- 在早期的KVM内存虚拟化中，影子页表是一种常用的技术，影子页表的原理是在宿主机上为每个虚拟机创建一个影子页表，这个影子页表用于将虚拟机的虚拟内存地址转换为宿主机的物理内存地址，当虚拟机中的应用程序访问内存时，首先会通过虚拟机内部的页表进行地址转换，然后再通过影子页表进行二次转换，最终得到宿主机的物理内存地址，这种方式虽然能够实现内存虚拟化，但是存在一些问题，当虚拟机的内存布局发生变化时（如进程创建、销毁或者内存分配、回收等操作），影子页表需要及时更新，这会带来一定的性能开销，影子页表的管理需要占用一定的宿主机内存资源。

2、扩展页表（Extended Page Tables，EPT）和嵌套页表（Nested Page Tables，NPT）

- 随着硬件技术的发展，现代的KVM虚拟机更多地采用扩展页表（对于Intel平台）和嵌套页表（对于AMD平台）技术来实现内存虚拟化，这些技术利用了CPU的硬件特性，将内存地址转换的部分工作交给了CPU来完成，在Intel平台上，EPT允许虚拟机直接使用自己的页表进行内存地址转换，同时CPU会根据EPT表自动进行从虚拟机物理地址到宿主机物理地址的转换，这种方式减少了软件干预的环节，提高了内存访问的速度，并且降低了内存管理的复杂性，在AMD平台上，NPT也具有类似的功能，它使得内存虚拟化更加高效、稳定。

（五）磁盘和网络虚拟化方式

1、磁盘虚拟化 - virtio - blk

- virtio - blk是KVM中常用的磁盘虚拟化技术，它采用了一种半虚拟化的方式来提高磁盘I/O性能，在传统的磁盘虚拟化中，虚拟机中的磁盘设备可能是完全模拟的IDE或SCSI设备，这种模拟方式会带来较大的I/O开销，而virtio - blk则是在虚拟机和宿主机之间定义了一种新的I/O接口标准，在虚拟机内部，virtio - blk设备作为一个特殊的磁盘设备被识别，它与传统的磁盘设备驱动不同，在宿主机端，virtio - blk.ko等相关模块会处理来自虚拟机的I/O请求，当虚拟机中的应用程序向virtio - blk磁盘设备写入数据时，数据会通过virtio - blk接口快速传递到宿主机，宿主机再将数据写入到物理磁盘中，这种方式相比于传统的模拟磁盘设备，可以提高数倍甚至数十倍的磁盘I/O速度。

2、网络虚拟化 - virtio - net

- virtio - net是KVM中用于网络虚拟化的技术，它的工作原理与virtio - blk类似，也是采用半虚拟化的方式，在虚拟机内部，virtio - net设备作为网络接口被识别，当虚拟机中的应用程序发送网络数据包时，数据包会通过virtio - net接口传递到宿主机，宿主机上的virtio - net.ko等模块会处理这些数据包，将它们发送到物理网络接口或者接收来自物理网络接口的数据包并传递给虚拟机，virtio - net技术可以提高网络I/O的性能，减少网络延迟，与传统的模拟网络设备（如e1000模拟）相比，virtio - net具有更高的效率，在云计算环境中，大量的虚拟机需要进行网络通信，使用virtio - net可以有效提高整个数据中心的网络性能。

KVM虚拟机在不同场景下的应用

（一）企业数据中心

1、服务器整合

- 在企业数据中心中，KVM虚拟机可以用于服务器整合，许多企业拥有大量的物理服务器，这些服务器的利用率往往不高，通过将多个服务器上的应用程序迁移到KVM虚拟机中，并在一台或多台物理服务器上运行这些虚拟机，可以大大提高服务器的利用率，一个企业可能有专门用于文件存储的服务器、用于邮件服务的服务器、用于Web服务的服务器等，这些服务器可以被整合到几台配备了KVM虚拟机的物理服务器上，这样做不仅可以减少物理服务器的数量，降低硬件采购成本、电力消耗和机房空间占用，还可以提高管理效率，通过KVM的管理工具（如libvirt），管理员可以方便地对虚拟机进行集中管理，如创建、启动、停止、迁移等操作。

2、测试与开发环境

- KVM虚拟机为企业的测试与开发环境提供了便利，开发人员可以在KVM虚拟机中快速创建和部署各种操作系统环境，用于开发和测试软件，一个软件开发团队可能需要在不同版本的Linux和Windows操作系统上测试他们的软件产品，他们可以在一台物理服务器上创建多个KVM虚拟机，每个虚拟机安装不同的操作系统版本，然后在这些虚拟机中进行软件的编译、测试等工作，这种方式相比于使用多台物理服务器更加灵活、高效，并且成本更低，当测试过程中出现问题（如系统崩溃、软件冲突等），开发人员可以方便地通过KVM的管理工具重新创建或恢复虚拟机的状态，而不会影响到其他的开发和测试环境。

（二）云计算环境

1、多租户云服务

- 在云计算环境中，KVM虚拟机是实现多租户云服务的重要技术之一，云服务提供商可以在其数据中心的物理服务器上创建大量的KVM虚拟机，然后将这些虚拟机出租给不同的租户，每个租户可以在自己的虚拟机中安装和运行自己的应用程序，就像使用自己的独立服务器一样，由于KVM虚拟机具有良好的安全隔离性，不同租户之间的应用程序和数据不会相互干扰，一个云服务提供商可以为小型企业提供基于KVM虚拟机的Web服务器、数据库服务器等云服务，这些小型企业可以根据自己的需求定制虚拟机的配置（如内存大小、CPU核心数等），并且可以方便地扩展或缩减自己的云服务资源。

2、云平台资源管理

- KVM虚拟机的资源管理功能在云计算环境中也非常重要，云平台可以根据虚拟机的负载情况动态调整虚拟机的资源分配，当一个KVM虚拟机中的Web应用程序流量突然增大时，云平台可以动态增加该虚拟机的CPU核心数和内存大小，以满足应用程序的需求，反之，当虚拟机的负载降低时，云平台可以回收多余的资源并分配给其他需要的虚拟机，这种动态资源管理能力可以提高云平台的资源利用率，同时也可以为租户提供更好的服务质量。

KVM虚拟机的性能优化

（一）硬件优化

1、CPU优化

- 在硬件方面，选择合适的CPU对于KVM虚拟机的性能至关重要，对于支持多核心和超线程技术的CPU，KVM可以更好地利用这些特性来提高虚拟机的并行处理能力，一个具有8个物理核心和16个线程的Intel CPU可以为多个KVM虚拟机分配足够的CPU资源，确保CPU支持硬件辅助虚拟化技术（如Intel VT - x和AMD - V）也可以显著提高虚拟机的性能，调整CPU的频率和电源管理模式也可能会影响KVM虚拟机的性能，在高性能需求的场景下，可以将CPU设置为高性能模式，提高CPU的时钟频率，以满足虚拟机中高负载应用的需求。

2、内存优化

- 足够的内存是保证KVM虚拟机性能的关键因素之一，在物理服务器上安装足够的内存可以为虚拟机提供更多的资源分配空间，选择合适的内存类型（如DDR4内存相比于DDR3内存具有更高的带宽和更低的延迟）也可以提高内存的读写速度，进而提高虚拟机的性能，合理设置内存的分配策略也很重要，可以根据虚拟机的实际需求采用动态内存分配策略，当虚拟机中的应用程序需要更多内存时及时分配，当应用程序释放内存时及时回收，以提高内存的利用率。

3、磁盘和网络硬件优化

- 对于磁盘硬件，使用高速的磁盘设备（如固态硬盘SSD）可以大大提高KVM虚拟机的磁盘I/O性能，SSD具有比传统机械硬盘更高的读写速度，可以减少虚拟机中应用程序的磁盘I/O等待时间，在网络硬件方面，使用高速的网络接口卡（NIC），如万兆网卡，可以提高虚拟机的网络I/O速度，合理配置网络交换机，采用链路聚合等技术也可以提高网络的带宽和可靠性，从而提高KVM虚拟机在网络方面的性能。

（二）软件优化

1、内核参数调整

- 在Linux宿主机上，可以通过调整内核参数来优化KVM虚拟机的性能，调整内存相关的内核参数，如'swappiness'参数可以控制系统将内存数据交换到磁盘交换空间（swap）的倾向，降低'swappiness'的值（如设置为10）可以减少不必要的内存交换，提高虚拟机的内存性能，调整网络相关的内核参数，如'tcp_max_syn_backlog'参数可以增加系统处理TCP连接