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Linux KVM虚拟化源代码结构详解整理 KVM（Kernel-based Virtual Machine）是Linux操作系统中的虚拟机监控器，它可以运行多个虚拟机，每个虚拟机可以运行不同的操作系统。KVM的虚拟化源代码结构可以分为两个部分：KVM Driver和Qemu。 KVM Driver是Linux内核的一个模块，负责虚拟机的创建、虚拟内存的分配、虚拟CPU的寄存器的读写以及虚拟CPU的运行等。KVM Driver将Linux内核变成了一个虚拟机监控器。 Qemu是KVM的用户空间组件，提供了I/O设备模型和访问外设的途径。Qemu通过LibKvm应用程序接口与KVM Driver进行交互，并使用ioctl系统调用创建和运行虚拟机。 KVM的基本结构如图1所示。KVM Driver将Linux内核变成了一个虚拟机监控器，并新增加了客户模式、内核模式和用户模式。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。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。用户模式代表客户执行I/O指令，Qemu运行在这种模式下。 KVM的工作原理如图2所示。用户模式的Qemu利用接口libkvm通过ioctl系统调用进入内核模式。KVM Driver为虚拟机创建虚拟内存和虚拟CPU后执行VMLAUCH指令进入客户模式。装载Guest OS执行。如果Guest OS发生外部中断或者影子页表缺页之类的事件，暂停Guest OS的执行，退出客户模式进行一些必要的处理。然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。 KVM采用全虚拟化技术，客户机不用修改就可以运行。KVM Driver工作在内核模式下，负责虚拟机的创建和管理。Qemu工作在用户模式下，负责I/O设备的模拟和访问外设。 KVM还支持Intel VT-x和AMD SVM硬件虚拟化技术。VT-x技术引入了一种新的处理器操作，叫做VMX（Virtual Machine Extension），提供了两种处理器的工作环境。VMCS结构实现了两种环境之间的切换。VM Entry使虚拟机进去客户模式，VM Exit使虚拟机退出客户模式。 在KVM中，Guest OS的调度执行需要通过ioctl系统调用进入内核模式，在KVM Driver中获取当前物理CPU的引用。之后将Guest状态从VMCS中读出，并装入物理CPU中。执行VMLAUCH指令使得物理处理器进入非根操作环境，运行客户代码。当Guest OS执行一些特权指令或者外部事件时，比如I/O访问，对控制寄存器的操作，MSR的读写数据包到达等。都会导致物理CPU发生VMExit，停止运行Guest OS。将Guest OS保存到VMCS中，Host状态装入物理处理器中，处理器进入根操作环境，KVM取得控制权，通过读取VMCS中的VM_EXIT_REASON字段得到引起VM Exit的原因。然后调用kvm_exit_handler处理函数。如果由于I/O获得信号到达，则退出到用户模式的Qemu处理。处理完毕后，重新进入客户模式运行虚拟CPU。