OpenStack设计与实现（三）KVM和QEMU浅析

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一、        KVM概述

 

KVM是Kernel-based Virtual Machine的缩写，即基于linux内核的虚拟机，是一种的完全虚拟化的解决方案，也就是说普通的操作系统不需经过修改就可以在KVM上运行。它使用linux自身的调度器进行管理，所以相对于xen，其核心源码很少。KVM的虚拟化需要硬件的支持（如intel VT技术或者AMD V技术），是基于硬件的完全虚拟化。

 

准确来说，KVM是Linux的一个模块。可以用modprobe去加载KVM模块。加载了模块后，就可以使用KVM模块创建虚拟机，实现虚拟内存的分配，虚拟CPU寄存器的读写以及管理虚拟CPU的运行。但仅有KVM模块是远远不够的，因为用户无法直接控制内核模块去作事情，所以还必须有一个用户空间的工具才行。这个用户空间的工具，开发者选择了已经成型的开源虚拟化软件 QEMU，使用它来模拟PC硬件的用户空间组件，模拟I/O设备模型以及提供访问外设的途径。后边会详细的介绍QEMU，这里先知道它用了QEMU就好了。

 

KVM基本架构如下图所示。

 

其中KVM被加入到标准的Linux内核中，被组织成Linux中标准的字符设备(/dev/kvm)。Qemu利用KVM提供的LibKvm应用程序接口，通过ioctl系统调用创建和运行虚拟机。KVM Driver使得整个Linux成为一个虚拟机监控器。并且在原有的Linux两种执行模式(内核模式和用户模式)的基础上，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。在虚拟机运行下，三种模式的分工如下：

l 客户模式：执行非I/O的客户代码，虚拟机运行在客户模式下。

l 内核模式：实现到客户模式的切换，处理因为I/O或者其它指令引起的从客户模式的退出，KVM Driver工作在这种模式下。

l  用户模式：代表客户执行I/O指令Qemu运行在这种模式下。

 

KVM的具体工作流程如下：

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。

 

二、        QEMU概述

 

QEMU（Quick Emulator）是一个独立的开源虚拟机软件，它是通过纯软件来仿真X86平台处理器的取指、解码和执行，虚拟客户机的指令并不在物理平台上直接执行，它利用其中的微型代码生成器模块进行动态翻译，将需要模拟的客户机的代码架构转换成主机代码架构并最终执行。QEMU虚拟机是一个纯软件的实现（KVM需要硬件虚拟化技术支持），所以性能低下。但是，其优点是虚拟机可以与宿主机并不是同一个架构。与KVM不同的是，QEMU的代码中有整套的虚拟机实现，包括处理器虚拟化、内存虚拟化，以及KVM使用到的虚拟设备模拟（比如网卡、显卡、存储控制器和硬盘等）

QEMU具有以下的优点：

默认支持多种架构。可以模拟 IA-32 (x86)个人电脑，AMD 64个人电脑，MIPS R4000, 升阳的SPARCsun3 与PowerPC(PReP 及 Power Macintosh)架构

可扩展，可自定义新的指令集

开源，可移植，仿真速度快

在支持硬件虚拟化的x86构架上可以使用KVM加速配合内核ksm大页面备份内存，速度稳定远超过VMware ESX

增加了模拟速度，某些程序甚至可以实时运行

可以在其他平台上运行Linux的程序

可以储存及还原运行状态(如运行中的程序)

可以虚拟网络卡