kvm虚拟化技术原理，kvm虚拟机原理

***：KVM（Kernel - based Virtual Machine）是基于内核的虚拟机技术。其原理是直接利用Linux内核，将Linux内核转变为一个Hypervisor（虚拟机监控器）。在KVM虚拟机原理方面，它通过加载特定模块使内核具备虚拟机管理能力，能对硬件资源进行分区和管理。虚拟机在创建时会被分配一定的CPU、内存、磁盘等资源，KVM通过内核模式和用户模式的切换来高效地运行和管理虚拟机，实现多个虚拟机在同一物理机上独立运行。

本文目录导读：

1. KVM简介
2. KVM的基本原理
3. KVM虚拟机的启动与运行流程
4. KVM的优势与应用场景

《KVM虚拟机原理深度剖析》

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Linux内核的功能，将Linux转变为一个hypervisor（虚拟机监控器），从而能够创建和管理多个虚拟机。

KVM的基本原理

（一）内核模块

1、KVM内核模块加载

- KVM以内核模块的形式存在于Linux系统中，当系统启动KVM相关功能时，首先会加载KVM内核模块，这个模块为虚拟机的运行提供了底层的支持架构，它会初始化一些必要的数据结构，如虚拟机控制结构（VMCS）等。

- 这些数据结构用于存储虚拟机的状态信息，包括寄存器的值、内存布局等，KVM内核模块还会注册一些系统调用处理函数，用于处理来自用户空间的操作虚拟机的请求。

2、CPU虚拟化

- 在CPU虚拟化方面，KVM利用了硬件辅助虚拟化技术（如Intel VT - x或AMD - V），当创建一个虚拟机时，KVM会为虚拟机分配虚拟CPU（vCPU），这些vCPU在硬件层面上实际上是利用了CPU的虚拟化扩展功能。

- Intel VT - x技术中的VMCS结构，它定义了虚拟机的运行环境，包括虚拟机的状态、中断处理等信息，KVM通过对这些硬件特性的使用，实现了高效的CPU虚拟化，当虚拟机中的vCPU执行指令时，硬件会根据VMCS中的设置来决定指令的执行方式，是在虚拟机内部执行还是需要陷入到宿主机内核进行处理。

（二）内存虚拟化

1、内存管理单元（MMU）虚拟化

- KVM的内存虚拟化是基于MMU的虚拟化实现的，对于虚拟机而言，它看到的是一个虚拟的内存空间，KVM通过影子页表（Shadow Page Tables）技术来实现内存的虚拟化。

- 当虚拟机中的进程访问内存时，虚拟机的MMU会首先查找自己的页表（虚拟页表），这个虚拟页表实际上是由KVM在宿主机上创建的影子页表的映射，KVM会根据虚拟机的内存访问请求，动态地更新影子页表，以确保虚拟机能够正确地访问宿主机上的物理内存。

2、内存分配与保护

- 在内存分配方面，KVM根据虚拟机的需求为其分配物理内存，这个过程涉及到对宿主机物理内存的合理分配和管理，KVM使用一种称为内存气球（Memory Ballooning）的技术来灵活调整虚拟机的内存使用。

- 内存气球可以根据宿主机和虚拟机的内存压力情况，动态地回收或分配虚拟机的内存，KVM还提供了内存保护机制，防止虚拟机之间或者虚拟机与宿主机之间的非法内存访问。

（三）I/O虚拟化

1、设备模拟

- KVM采用了半虚拟化和设备直通（Device Passthrough）相结合的I/O虚拟化方式，对于一些通用的I/O设备，如磁盘、网络设备等，KVM会在宿主机上进行设备模拟。

- 对于磁盘设备，KVM可以使用QEMU（Quick Emulator）来模拟磁盘的操作，QEMU会模拟磁盘的读写、寻道等操作，将虚拟机的I/O请求转换为对宿主机文件系统或者磁盘设备的实际操作。

2、设备直通

- 对于一些对性能要求极高的I/O设备，KVM支持设备直通技术，通过设备直通，虚拟机可以直接访问宿主机上的物理I/O设备，绕过宿主机的设备模拟层。

- 这样可以大大提高I/O性能，但是也需要硬件的支持，如支持IOMMU（Input/Output Memory Management Unit）的主板和设备。

KVM虚拟机的启动与运行流程

1、虚拟机创建

- 当用户通过管理工具（如libvirt）创建一个虚拟机时，首先会向KVM内核模块发送创建虚拟机的请求，KVM内核模块会初始化虚拟机的相关数据结构，包括分配内存、创建vCPU等操作。

- KVM会根据虚拟机的配置信息，如操作系统类型、内存大小、磁盘镜像等，设置虚拟机的初始状态。

2、虚拟机启动

- 在虚拟机启动阶段，KVM会将控制权交给虚拟机的引导程序，这个引导程序可以是虚拟机操作系统自带的引导程序，如GRUB等，引导程序会加载虚拟机的内核和初始化系统。

- 在这个过程中，KVM会处理虚拟机的各种硬件初始化请求，如内存初始化、设备初始化等，一旦虚拟机的内核启动成功，虚拟机就开始正常运行。

3、虚拟机运行中的管理

- 在虚拟机运行过程中，KVM会不断地监控虚拟机的状态，它会处理虚拟机的中断请求，包括来自硬件设备的中断和软件中断。

- KVM还可以根据用户的需求对虚拟机进行动态管理，如调整虚拟机的内存大小、CPU资源分配等，当虚拟机需要访问宿主机的资源，如进行I/O操作时，KVM会协调虚拟机和宿主机之间的资源共享和交互。

KVM的优势与应用场景

1、优势

性能高效：由于KVM利用了硬件辅助虚拟化技术，其在CPU和内存虚拟化方面的性能损耗相对较小，尤其是在处理大规模数据处理、高性能计算等场景下，能够提供接近物理机的性能。

与Linux系统的深度集成：KVM作为基于Linux内核的虚拟化技术，能够很好地与Linux系统的各种功能和工具集成，它可以利用Linux的安全机制、网络管理功能等，提高虚拟机的安全性和网络性能。

开源免费：KVM是开源的，这使得企业和开发者可以根据自己的需求自由定制和扩展，开源也意味着有庞大的社区支持，能够及时解决出现的问题。

2、应用场景

云计算数据中心：在云计算数据中心中，KVM被广泛用于创建和管理虚拟机实例，云服务提供商可以利用KVM在一台物理服务器上创建多个虚拟机，为不同的用户提供计算资源。

企业服务器整合：企业可以使用KVM将多个物理服务器上的应用整合到较少的物理服务器上，通过虚拟机的方式运行，这样可以降低硬件成本、能源消耗，同时提高服务器的利用率。

开发与测试环境：开发人员和测试人员可以使用KVM快速创建多个不同操作系统和配置的虚拟机，用于软件开发、测试和调试工作。

KVM通过其独特的内核模块、CPU、内存和I/O虚拟化技术，实现了高效的虚拟机创建、运行和管理，其在性能、集成性和成本等方面的优势，使其在众多领域得到了广泛的应用。