云計算底層技術之 KVM 初探
KVM 是業界最為流行的 Hypervisor，全稱是 Kernel-based Virtual Machine。它是作為 Linux kernel 中的一個內核模塊而存在，模塊名為 kvm.ko，也可以看作是一個進程，被內核調度并管理，從 Linux 2.6.20 版本開始被完全正式加入到內核的主干開發和正式發布代碼中。 KVM 主要用于管理 CPU 和內存的虛擬化，IO 設備的虛擬化則是由 Qemu 來完成。為什么會有這樣的分工，請繼續往下看。
KVM 與 Qemu 的前世今生
Qemu 是一個純軟件實現的開源「模擬」軟件，它能夠模擬整套虛擬機的實現，包括 CPU、內存、各種 IO 設備、鼠標、鍵盤、USB 、網卡、聲卡等等，基本上沒有它不能模擬的。有人可能會比較疑惑它跟 KVM 之間到底有何關系，我們可以把它們看成是合作關系，好基友，誰都離不開彼此。
KVM 離不開 Qemu。KVM 實現初期，為了簡化開發和代碼重用，在 Qemu 的基礎上進行了修改，主要是將比較耗性能的 CPU 虛擬化和內存虛擬化部分移到了內核中實現，保留 IO 虛擬化模塊在用戶空間實現。這樣的做法主要是考慮到性能的原因，CPU 和 內存虛擬化是非常復雜的虛擬化模塊，而且使用非常頻繁，如果實現在用戶空間的話，用戶態和內核態的頻繁切換勢必會對性能造成很大的影響。那為什么要單獨保留 IO 虛擬化在用戶空間呢，這個也是權衡之下的結果，首先 IO 設備太多了，其次 IO 虛擬化相對其他兩個模塊使用不是很頻繁，開銷會小一些，所以，為了盡可能保持內核的純凈性，才有了這樣的分配。
Qemu 離不開 KVM。上面也說了，Qemu 是一個純軟件的實現，運行在用戶空間，性能非常低下，所以，從 Qemu 的角度，可以說是 Qemu 使用了 KVM 的虛擬化功能，為自身虛擬機提供加速。
早期兩者還沒有區分(沒有同居)，KVM 修改的模塊叫 qemu-kvm，到 Qemu1.3 版本之后，兩者就合二為一了(同居啦)，如果我們在用 Qemu 創建虛擬機時，要加載 KVM 模塊，需要為其指定參數 --enable-kvm。
KVM 與 Qemu 的關系
KVM 架構
KVM 是基于硬件虛擬化(Intel VT 或 AMD-V)實現的一套虛擬化解決方案，通過以上一個與 Qemu 關系的分析，我們基本上知道它在虛擬化領域處在一個什么樣的地位。它其實只負責 CPU 和內存的虛擬化，不負責任何設備的模擬，而是提供接口給用戶空間的 Qemu 來模擬。這個接口是 /dev/kvm ，
Qemu 通過 /dev/kvm 接口設置一個虛擬機的地址空間，然后向它提供模擬好的 I/O 設備，并將相關的設備回顯操作映射到宿主機，完成整個 I/O 設備的虛擬化操作。
KVM 架構
/dev/kvm 接口是 Qemu 和 KVM 交互的“橋梁”，基本的原理是：/dev/kvm 本身是一個設備文件，這就意味著可以通過 ioctl 函數來對該文件進行控制和管理，從而可以完成用戶空間與內核空間的數據交互。在 KVM 與 Qemu 的通信過程主要就是一系列針對該設備文件的 ioctl 調用。
我就拿創建虛擬機舉個例子，虛擬機本質上是宿主機的一個進程，包括用戶態數據結構和內核態數據結構，用戶態部分由 Qemu 創建并初始化，內核態部分則由 KVM 來完成，完成后會返回一個文件句柄來代表所創建的虛擬機，針對該文件句柄的 ioctl 調用就可以對虛擬機進行相應的管理，比如建立虛擬機地址空間和宿主機地址空間的映射關系，創建多個線程(虛擬處理器，vCPU)來供虛擬機使用等，對于創建出的 vCPU，也會生成相應的文件句柄，同樣，對 vCPU 的文件句柄的 ioctl 調用就可以對 vCPU 進行管理。
關于這塊的具體細節，后面會有文章來專門討論。
VMM 管理工具 —— libvirt
目前，虛擬化這個領域可以說是百花齊放，針對不同的場景提出了很多的虛擬化解決方案，KVM、Xen、VMware、VirtualBox、Hyper-V 等等，具體的這些方案有什么特點，可以看前文「虛擬化技術總覽 」。這么多方案勢必有很多通用的模塊，不同之處可能在于，與不同硬件廠商的適配上，為了支持更多廠商，以及應用更多的領域，有很多 IaaS 解決方案需要融合多種虛擬化技術。這個時候如果有一個平臺類的管理工具就會非常方便，libvirt 就是這樣一個工具。
libvirt 架構
libvirt 除了能夠支持多種虛擬化方案之外，還支持 OpenVZ、LXC 等容器虛擬化系統。它提供一套完善的虛擬機管理工具，支持 GUI 和命令行的形式，如 virsh、virt-install、virt-manager。由于它的通用性和易管理，很多云計算框架平臺都在底層使用 libvirt 的 API 來管理虛擬機，比如 OpenStack、OpenNebula、Eucalyptus 等。這個工具我們僅僅提一下，有興趣的可以裝個玩玩。
下面給出 KVM 和 Qemu 的 git 路徑，有興趣的可以把源碼下下來研究下。
- kvm.git：
- git clone git://git.kernel.org/pub/scm/virt/kvm/kvm.git
- qemu.git（包括了 kvm）:
- git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git
