背景
Read the fucking source code!--By 魯迅A picture is worth a thousand words.--By 高爾基
說明：
- KVM版本：5.9.1
- QEMU版本：5.0.0
- 工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
- 從這篇文章開始，將開始虛擬化的系列研究了，大概會涉及到ARM64虛擬化支援、KVM、QEMU等分析；
- 虛擬化相關的實踐與操作有且僅有：VMware/VirtualBox等虛擬機器使用、QEMU使用、QEMU原始碼修改模擬IO裝置；
Show me the code，一切從原始碼出發；
本文作為開篇，從巨集觀方面來進行介紹，有個初步認識，不涉及到具體原理分析。
2. 概念
2.1 虛擬化
什麼是虛擬化？
- 虛擬化是一種資源管理技術，在非虛擬化系統中，單個作業系統管理和使用所有的硬體資源，而在虛擬化系統中，硬體資源可以被抽象和分割成多個虛擬的實體用於支援多個作業系統，多個作業系統可以共享所有的實體硬體資源，從而達到物理資源的最大化利用；
Virtual Machine Motior(VMM)，虛擬機器監控器，也叫Hypervisor，向下管理實際的物理資源，向上給不同的虛擬機器提供邏輯資源；Virtual Machine(VM)，虛擬機器可以根據自己的選擇執行不同的OS（Guest OS），它會認為自己獨享硬體；- 虛擬化的好處就是能提高資源的利用率，比如當前計算機的配置資源都很高，實際的利用率比較低，如果進行統一管理並進行虛擬化，那就可以支援更多的使用者來合理利用了；
2.2 軟體虛擬化和硬體虛擬化
2.2.1 軟體虛擬化
通過軟體模擬來實現VMM層，比如QEMU，還是以圖片來舉例說明下：
- 以典型的場景為例（ARM+Linux的模擬環境）：在PC機Ubuntu系統中使用Qemu來模擬ARM64處理器，並在ARM64中執行Guest OS，假設Guest OS也為Linux；
- 在沒有硬體虛擬化的支援下，QEMU本質上完成的工作是二進位制的翻譯，這個問題怎麼來理解呢？比如Guest OS執行時，APP和OS都認為自己是執行在ARM64中，執行檔案也都是交叉編譯器生成的，我們都知道不同的處理器架構，指令集都不一樣，ARM上執行的程式放置到X86執行是無法執行的，Qemu的出現就可以解決這個問題，硬生生轉換翻譯過去；
- Qemu的翻譯過程為：將
Guest程式碼指令翻譯成TCG(Tiny Code Generator)中間程式碼，最終翻譯成Host架構支援的程式碼指令；
2.2.2 硬體虛擬化
純軟體行為來翻譯指令，顯然是一件很低效的事情，硬體虛擬化的支援可以提高整體的效能，硬體虛擬化指處理器本身提供能力來讓客戶機指令獨立執行。
KVM (Kernel-Based Virtual Machine)，基於核心的虛擬機器，實現對CPU和記憶體的虛擬化，以及硬體I/O虛擬化的攔截，Guest的I/O被KVM攔截後交給Qemu去處理；KVM是核心的一個Module，可以讓Linux變成一個Hypervisor；KVM需要Host處理器本身支援虛擬化擴充套件，比如intel VT，AMD-V等；
2.3 半虛擬化和全虛擬化
- 半虛擬化（
Para-Virtualization）：客戶機作業系統知道自身執行在虛擬環境裡，進行定製化修改，以配合Hypervisor進行工作，優點是半虛擬化的架構更精簡，效能上有一定優勢，缺點是客戶機OS需要修改，使用者體驗偏差； - 典型的半虛擬化技術
virtio，需要宿主機/Hypervisor和客戶機都安裝對應的驅動； - 全虛擬化（
Full Virtualization）：客戶機作業系統不需要任何改動，使用簡單，由於全虛擬化需要模擬出完整的，和物理平臺一樣的平臺給客戶機，因此也增加了Hypervisor的設計難度；
2.4 Type1虛擬化和Type2虛擬化
- 從軟體的框架角度，根據Hypervisor是直接在硬體之上，還是在宿主機作業系統之上，可以將虛擬化分成Type1和Type2；
- Type1虛擬化：
native/bare-mental Hypervisor，直接控制硬體資源和客戶機，典型的是Xen； - Type2虛擬化：Hypervisor執行在宿主機作業系統之上，典型的比如：
VMware Workstation,KVM等，Hypervisor只是宿主機作業系統的一個應用程式；
2. kvm-qemu框架
從上文的虛擬化分類來看，我們研究目標KVM+Qemu，是採用硬體虛擬化技術的全虛擬化方案（Type2）。
Qemu (Quick Emulator)：是虛擬化方案的使用者態組成部分，它有兩種模式：1）Emulator，模擬器，模擬各種硬體，使用的是二進位制翻譯技術；2）Virtualiser，虛擬機器，通過ioctl與KVM核心模組進行互動，完成虛擬化功能；Qemu為每個VM虛擬機器建立一個程式，針對每個vCPU虛擬CPU建立一個執行緒，Guest的系統和應用執行在vCPU之上；Qemu能模擬I/O功能，而這部分功能KVM可能並不是全部支援，執行流程如下：虛擬機器VM中的程式執行I/O操作，VM退出進入KVM，KVM進行判斷處理並將控制權交給Qemu，由Qemu來模擬I/O裝置來響應程式的I/O請求；- KVM核心模組，依賴於底層硬體的虛擬化支援，主要的功能是初始化CPU硬體，開啟虛擬化模式，將虛擬化客戶機執行在虛擬機器模式下，並對虛擬化客戶機的執行提供一定的支援；
- KVM核心模組，實現CPU的虛擬化、記憶體的虛擬化等，而外設IO的虛擬化，通常不由KVM模組負責，只有對效能要求很高的虛擬裝置才需要由KVM核心模組來負責，因此也就有KVM + Qemu的組合方案了；
本文純當掃盲貼了，至於具體技術細節的深入分析，後續會進行不定期更新。
3. 參考
《KVM實戰-原理、進階與效能調優》
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