本文目录导读：
《深入探究KVM虚拟机的核心部分》
KVM虚拟机概述
KVM（Kernel - based Virtual Machine）是一种基于Linux内核的开源全虚拟化解决方案，它允许在Linux系统上创建和运行多个虚拟机，每个虚拟机都可以运行自己的操作系统，就像在独立的物理机上运行一样，KVM在现代云计算和虚拟化环境中扮演着至关重要的角色，因为它能够有效地利用硬件资源，提供高性能、安全且可灵活管理的虚拟化平台。
KVM虚拟机核心部分之Linux内核集成
1、内核模块
- KVM的核心部分首先体现在其与Linux内核的深度集成，KVM本身是作为一个内核模块存在的，它利用了Linux内核的众多特性，在内存管理方面，Linux内核已经具备了高效的内存分配和管理机制，KVM虚拟机可以直接受益于这些机制，当创建一个KVM虚拟机时，内核模块负责协调虚拟机与宿主机之间的内存分配，它会根据虚拟机的需求，从宿主机的物理内存中分配相应的页面，并且通过内核的页表管理机制来确保虚拟机内存访问的正确性。
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 在进程调度方面，KVM虚拟机中的虚拟CPU（vCPU）实际上是被当作Linux内核中的普通进程来调度的，这意味着Linux内核的进程调度器（如完全公平调度器CFS）可以对vCPU进行调度，根据系统的负载情况和优先级等因素，合理地分配CPU时间片，这种集成方式使得KVM虚拟机能够充分利用Linux内核在多任务处理方面的成熟技术，保证虚拟机的性能和稳定性。
2、内核级别的设备模拟
- 另一个重要的核心部分是内核级别的设备模拟，KVM借助Linux内核的驱动框架来模拟各种硬件设备，以网络设备为例，KVM可以利用内核中的网络协议栈和网络驱动来为虚拟机提供虚拟网络设备，当虚拟机中的操作系统尝试与网络设备进行交互时，例如发送网络数据包，KVM内核模块会将虚拟机的操作转换为对宿主机网络设备的实际操作，它通过在内核中创建虚拟网络接口，将虚拟机的网络流量转发到宿主机的物理网络接口或者进行内部网络的路由，从而实现虚拟机与外部网络或者其他虚拟机之间的通信。
- 对于存储设备的模拟也是类似的，KVM可以利用Linux内核的块设备层来模拟虚拟机的磁盘设备，它可以将虚拟机对虚拟磁盘的读写操作转换为对宿主机文件系统或者物理磁盘分区的操作，这种内核级别的设备模拟方式不仅提高了设备模拟的效率，而且可以方便地利用Linux内核不断更新的设备驱动和功能，确保虚拟机对硬件设备的兼容性和性能。
三、KVM虚拟机核心部分之虚拟CPU（vCPU）管理
1、vCPU的创建与调度
- 在KVM虚拟机中，vCPU的创建和调度是核心功能之一，当创建一个虚拟机时，可以指定虚拟机的vCPU数量，KVM内核模块会根据这个需求，在Linux内核的进程管理框架下创建相应数量的进程来代表vCPU，这些vCPU进程与宿主机的物理CPU核心之间存在映射关系，在调度方面，如前面提到的，它们会被Linux内核的调度器按照一定的策略进行调度，在多核系统中，调度器会尽量将不同虚拟机的vCPU分散到不同的物理核心上，以提高并行性，减少CPU资源的竞争。
- KVM还支持对vCPU的优先级设置，这使得管理员可以根据虚拟机的重要性和性能需求，为不同的vCPU分配不同的优先级，对于运行关键业务的虚拟机的vCPU，可以设置较高的优先级，确保它们在CPU资源竞争时能够优先获得执行机会，从而保证业务的正常运行。
2、vCPU的指令执行
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- vCPU的指令执行也是KVM的核心部分，当虚拟机中的操作系统执行指令时，KVM需要对这些指令进行处理，对于大部分的非特权指令，KVM可以直接在物理CPU上执行，这种方式称为硬件辅助虚拟化，现代的CPU，如Intel的VT - x和AMD的AMD - V技术，提供了硬件支持来加速指令的执行，KVM可以利用这些硬件特性，高效地执行vCPU的指令。
- 对于一些特权指令，KVM需要进行特殊处理，当虚拟机中的操作系统试图执行特权指令，如修改系统的控制寄存器时，KVM会捕获这些指令，并通过软件模拟的方式来处理，KVM会根据指令的功能和虚拟机的状态，模拟出指令执行的结果，确保虚拟机操作系统的正常运行，同时保护宿主机系统的安全和稳定性。
KVM虚拟机核心部分之内存管理
1、虚拟机内存的分配与映射
- KVM虚拟机的内存管理是其核心的组成部分，在创建虚拟机时，需要为虚拟机分配内存，KVM会根据管理员指定的内存大小，从宿主机的物理内存中分配相应的页面，这些页面会被映射到虚拟机的地址空间中，KVM采用了一种称为影子页表（Shadow Page Tables）的技术来管理虚拟机的内存映射，影子页表是一种在宿主机内存中创建的辅助页表，它用于将虚拟机的虚拟地址转换为宿主机的物理地址。
- 当虚拟机中的操作系统修改其自身的页表时，KVM会检测到这些修改，并相应地更新影子页表，这种方式可以确保虚拟机的内存访问能够正确地转换为对宿主机物理内存的访问，KVM还支持内存的动态分配和调整，当虚拟机中的应用程序需要更多的内存时，可以通过KVM的管理工具来增加虚拟机的内存大小，KVM会根据宿主机的内存使用情况，从剩余的物理内存中分配额外的页面给虚拟机，并更新相关的内存映射。
2、内存的共享与隔离
- 在多虚拟机环境下，内存的共享和隔离是KVM内存管理的重要方面，KVM通过内存管理机制实现了虚拟机之间的内存隔离，每个虚拟机都有自己独立的内存地址空间，它们不能直接访问其他虚拟机的内存，这种隔离机制保证了虚拟机的安全性，防止一个虚拟机中的恶意程序攻击其他虚拟机。
- KVM也支持内存的共享，对于一些只读的内存区域，如包含操作系统内核代码的内存区域，可以在多个虚拟机之间共享，这种共享机制可以减少内存的占用，提高内存的利用率，KVM通过对内存页面的标记和管理，确保共享内存区域的一致性和安全性。
KVM虚拟机核心部分之I/O虚拟化
1、I/O设备的模拟与转发
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- I/O虚拟化是KVM虚拟机的核心功能之一，KVM需要为虚拟机模拟各种I/O设备，如磁盘、网络、显卡等，对于磁盘I/O，KVM通过将虚拟机对虚拟磁盘的读写操作转换为对宿主机文件系统或者物理磁盘的操作来实现，它使用了一种称为QEMU（Quick Emulator）的工具来辅助进行磁盘I/O模拟，QEMU会在宿主机上创建虚拟磁盘文件或者映射到物理磁盘分区，当虚拟机对虚拟磁盘进行读写时，QEMU会将这些操作转发到宿主机的实际存储设备上。
- 在网络I/O方面，KVM会模拟虚拟网络接口，如前面提到的，它利用Linux内核的网络协议栈和驱动来实现虚拟机与外部网络的通信，当虚拟机发送网络数据包时，KVM会将数据包从虚拟机的虚拟网络接口转发到宿主机的物理网络接口，对于显卡等其他I/O设备，KVM也会进行相应的模拟，为虚拟机提供基本的图形显示功能或者其他设备相关的功能。
2、I/O性能优化
- 为了提高I/O性能，KVM采用了多种优化措施，其中一个重要的方法是采用半虚拟化（Para - virtualization）技术，在半虚拟化中，虚拟机中的操作系统会意识到自己是在虚拟机环境下运行，并且会与KVM进行协作来优化I/O操作，对于磁盘I/O，虚拟机中的操作系统可以将多个小的读写请求合并为一个大的请求再发送给KVM，这样可以减少I/O操作的开销。
- KVM还支持I/O直通（I/O Passthrough）技术，I/O直通允许虚拟机直接访问宿主机的物理I/O设备，绕过了设备模拟的过程，这种技术在对I/O性能要求极高的应用场景下非常有用，例如对于需要高性能磁盘I/O的数据库服务器虚拟机，可以将宿主机的物理磁盘设备直接分配给虚拟机，从而大大提高磁盘I/O的速度。
KVM虚拟机的核心部分包括与Linux内核的深度集成、vCPU管理、内存管理以及I/O虚拟化等方面，这些核心部分相互协作，共同为创建高性能、安全且灵活的虚拟化环境提供了坚实的基础。
评论列表