2.3 QEMU/KVM CPU虚拟化实现

前两节介绍了CPU虚拟化实现的难点以及Intel VT-x为CPU虚拟化提供的硬件支持。本节以x86架构下的QEMU/KVM实现为例，介绍前述硬件虚拟化技术如何被应用到实践中。

QEMU原本是纯软件实现的一套完整的虚拟化方案，支持CPU虚拟化、内存虚拟化以及设备模拟等，但是性能不太理想。随着硬件辅助虚拟化技术逐渐兴起，Qumranet公司基于新兴的虚拟化硬件实现了KVM。KVM遵循Linux的设计原则，以内核模块的形式动态加载到Linux内核中，利用虚拟化硬件加速CPU虚拟化和内存虚拟化流程，I/O虚拟化则交给用户态的QEMU完成，QEMU/KVM架构如图2-10 所示。CPU虚拟化主要关心图2-10的左侧部分，即vCPU是如何创建并运行的，以及当vCPU执行敏感指令触发VM-Exit时，QEMU/KVM又是如何处理这些VM-Exit的。

当QEMU启动时，首先会解析用户传入的命令行参数，确定创建的虚拟机类型（通过QEMU-machine参数指定）与CPU类型（通过QEMU-cpu参数指定），并创建相应的机器模型和CPU模型。而后QEMU打开KVM模块设备文件并发起KVM_CREATE_VM ioctl，请求KVM创建一个虚拟机。KVM创建虚拟机相应的结构体并为QEMU返回一个虚拟机文件描述符。QEMU通过虚拟机文件描述符发起KVM_CREATE_VCPU ioctl，请求KVM创建vCPU。与创建虚拟机流程类似，KVM创建vCPU相应的结构体并初始化，返回一个vCPU文件描述符。QEMU通过vCPU文件描述符发起KVM_RUN ioctl，vCPU线程执行VMLAUNCH指令进入非根模式，执行虚拟机代码直至发生VM-Exit。KVM根据VM-Exit的原因进行相应处理，如果与I/O有关，则需要进一步返回到QEMU中进行处理，以上就是QEMU/KVM CPU虚拟化的主要流程。本节将从KVM模块初始化、虚拟机创建、vCPU创建和vCPU运行四个方面进行介绍，最后给出CPU虚拟化实例。后续章节将深入QEMU/KVM源码讲解每部分的具体实现。在没有特殊说明的情况下，本节以及后续章节所列出的示例代码对应的Linux内核版本为 4.19.0 ，QEMU版本为 4.1.1 ，由于篇幅有限，示例代码只摘取了源码中的一部分，感兴趣的读者可以自行下载相应版本的源码查看完整代码。 jQKomIuV9C0v8AXpaQtQbFjD2zZBsUdPfyioZRWXYdXvj3pyteMp4xBg/4tQM6KV