QEMU-KVM 介绍2 概述

最新推荐文章于 2024-01-17 21:15:00 发布

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文章标签：运维操作系统数据结构与算法

原文链接：http://www.cnblogs.com/felixyzg/p/8052053.html

本文详细介绍了QEMU和KVM的原理及工作流程，包括QEMU与KVM的初始化过程、虚拟机的创建步骤等关键技术细节。

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1. QEMU 介绍

QEMU(Quick emulator) ： QEMU is a generic and open source machine emulator and virtualizer。官方网站：https://www.qemu.org

QEMU可以独立完整模拟一台计算机。基于指令模拟，性能会很差。

2. KVM 介绍

Kernel Virtual Machine： KVM (for Kernel-based Virtual Machine) is a full virtualization solution for Linux on x86 hardware containing virtualization extensions (Intel VT or AMD-V). It consists of a loadable kernel module, kvm.ko, that provides the core virtualization infrastructure and a processor specific module, kvm-intel.ko or kvm-amd.ko。官方网站： https://www.linux-kvm.org。KVM 是辅助模块，无法独立模拟。搭载QEMU可以完成基于硬件辅助的虚拟化,性能佳。

3. QEMU-KVM 整体框图

qemu 是用户态进程，kvm是内核模块。qemu通过操作/dev/kvm来与kvm进行通信与控制. QEMU与KVM的系统框图如下：

4. KVM 初始化

KVM 包含两个内核模块 kvm.ko以及kvm-intel.ko。kvm-intel.ko依赖kvm.ko。kvm.ko 所有代码在virt/kvm中它没有模块初始化函数，使用默认的初始化函数。然后看kvm-intel.ko 在arch/x86/kvm中vmx.c 有模块初始化函数module_init(vmx_init)

static int __init vmx_init(void)

{

int r = kvm_init(&vmx_x86_ops, sizeof(struct vcpu_vmx),

__alignof__(struct vcpu_vmx), THIS_MODULE);

if (r)

return r;

#ifdef CONFIG_KEXEC

rcu_assign_pointer(crash_vmclear_loaded_vmcss,

crash_vmclear_local_loaded_vmcss);

#endif

return 0;

}

函数调用关系如下：

-------

vmx_init

=> kvm_init

=> misc_register(&kvm_dev)

这个函数最主要的功能就是注册了一个杂项设备，其实就是一个字符设备/dev/kvm。这个设备的操作函数如下，

static struct file_operations kvm_chardev_ops = {

.unlocked_ioctl = kvm_dev_ioctl,

.compat_ioctl = kvm_dev_ioctl,

.llseek = noop_llseek,

};

static struct miscdevice kvm_dev = {

KVM_MINOR,

"kvm",

&kvm_chardev_ops,

};

5. QEMU 初始化以及创建虚拟机的过程

QEMU 建立需要与KVM协作来完成虚拟机的创建。QEMU与KVM 使用不同的数据结构来表示虚拟机

QEMU 使用PCMachineState来表示虚拟机

KVM 使用struct kvm 来表示虚拟机

初始化过程包含两部分：

KVM加速器初始化

主板以及CPU初始化

5.1 KVM加速器初始化

本节主要介绍qemu 怎样通过/dev/kvm 来与kvm进行交互创建虚拟机. qemu 的入口函数在vl.c中，main函数，里面有如下函数初始化加速器，configure_accelerator(current_machine，这里就是KVM。函数调用关系如下：

----------

configure_accelerator

=> accel_init_machine

=> acc->init_machine(ms)[kvm_init]

// accel/kvm/kvm-all.c: ac->init_machine = kvm_init;

kvm_init 在accel/kvm/kvm-all.c 中

static int kvm_init(MachineState *ms)

...

KVMState *s;

...

//打开/dev/kvm 设备

s->fd = qemu_open("/dev/kvm", O_RDWR);

...

// 检查kvm模块的api version是否匹配

ret = kvm_ioctl(s, KVM_GET_API_VERSION, 0);

...

// 建立虚拟机, 从这里可以看出,qemu 运行一次会建立一个虚拟机，下面会介绍这个函数

do {

ret = kvm_ioctl(s, KVM_CREATE_VM, type);

} while (ret == -EINTR);

...

// 与CPU 架构相关的初始化

ret = kvm_arch_init(ms, s);

...

// 注册memory_lister

kvm_memory_listener_register(s, &s->memory_listener,

&address_space_memory, 0);

// do other things

kvm_init 主要任务建立虚拟机，并初始化后退出，返回到qemu的main函数中，继续初始其他的设备。下面主要介绍ret = kvm_ioctl(s, KVM_CREATE_VM, type); 建立虚拟机的过程。对应virt/kvm/kvm_main.c。就是调用ioctl系统调用，并传入参数KVM_CREATE_VM。

static long kvm_dev_ioctl(struct file *filp,

unsigned int ioctl, unsigned long arg)

{

long r = -EINVAL;

switch (ioctl) {

case KVM_GET_API_VERSION:

if (arg)

goto out;

r = KVM_API_VERSION;

break;

case KVM_CREATE_VM:

r = kvm_dev_ioctl_create_vm(arg);

break;

case KVM_CHECK_EXTENSION:

r = kvm_vm_ioctl_check_extension_generic(NULL, arg);

break;

case KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE:

if (arg)

goto out;

r = PAGE_SIZE; /* struct kvm_run */

#ifdef CONFIG_X86

r += PAGE_SIZE; /* pio data page */

#endif

#ifdef KVM_COALESCED_MMIO_PAGE_OFFSET

r += PAGE_SIZE; /* coalesced mmio ring page */

#endif

break;

case KVM_TRACE_ENABLE:

case KVM_TRACE_PAUSE:

case KVM_TRACE_DISABLE:

r = -EOPNOTSUPP;

break;

default:

return kvm_arch_dev_ioctl(filp, ioctl, arg);

}

out:

return r;

}

kvm_dev_ioctl_create_vm 函数的实现如下，主要功能是初始化struct kvm结构体中的各个字段，并且建立这个虚拟机的fd

static int kvm_dev_ioctl_create_vm(unsigned long type)

{

int r;

struct kvm *kvm;

kvm = kvm_create_vm(type); // 分配struct kvm结构体并且初始化

if (IS_ERR(kvm))

return PTR_ERR(kvm);

#ifdef KVM_COALESCED_MMIO_PAGE_OFFSET

r = kvm_coalesced_mmio_init(kvm);

if (r < 0) {

kvm_put_kvm(kvm);

return r;

}

#endif

r = anon_inode_getfd("kvm-vm", &kvm_vm_fops, kvm, O_RDWR | O_CLOEXEC); //从进程的文件fd中返回一个fd，代表这个虚拟机

if (r < 0)

kvm_put_kvm(kvm);

return r;

}

5.2 主板以及CPU初始化

也是在vl.c 中 machine_run_board_init(current_machine) 会完成主板以及CPU基本外设的虚拟化。

在QEMU中 MachineClass 结构体代表一个虚拟机，不同类型的虚拟机有不同的类。继承关系如下：

---------

MachineClass

=> PCMachineClass

=> xxx_PCMachineClass

在hw/i386/pc_q35.c中通过宏DEFINE_Q35_MACHINE 来定义不同的PCMachineClass,比如：

DEFINE_Q35_MACHINE(v2_11, "pc-q35-2.11", NULL, pc_q35_2_11_machine_options);

DEFINE_Q35_MACHINE(v2_10, "pc-q35-2.10", NULL, pc_q35_2_10_machine_options);

通过qemu-system -machine help可以查看支持的machine类型

[[yzg@localhost ~]$ qemu-system-x86_64 -machine help

Supported machines are:

......

pc-0.15 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

pc-0.14 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

pc-0.13 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

pc-0.12 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

pc-0.11 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

pc-0.10 Standard PC (i440FX + PIIX, 1996)

// 以上为老式主板，下面是q35较新主板

pc-q35-2.9 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

pc-q35-2.8 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

pc-q35-2.7 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

pc-q35-2.6 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

pc-q35-2.5 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

pc-q35-2.4 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009)

q35 Standard PC (Q35 + ICH9, 2009) (alias of pc-q35-2.11)

isapc ISA-only PC

none empty machine

Q35 芯片组框图如下：

machine_run_board_init 调用关系（以Q35主板为例子）如下：

-------------

machine_run_board_init

=> machine_class->init

=> pc_q35_init

=> pc_cpus_init

=> pc_memory_init

=> pc_basic_device_init

=> pc_vga_init

=> pc_pci_device_init

从函数名字就可以看出，完成了什么功能。这样就完成了整个机器的虚拟化过程。

参考文档：

https://www.binss.me/blog/qemu-note-of-Q35-machine/

https://www.qemu.org

https://www.linux-kvm.org。

转载于:https://www.cnblogs.com/felixyzg/p/8052053.html