【操作系统百科】KVM 架构

KVM 把 Linux 内核变成 hypervisor → 复用已有的调度器、内存管理、驱动 → 只添加必要的虚拟化支持。

一、先看图

flowchart TD
    QEMU[QEMU<br/>用户态设备模型] -->|ioctl| KVM[/dev/kvm<br/>内核模块]
    KVM --> HW[硬件<br/>VMX/SVM + EPT/NPT]
    QEMU --> VHOST[vhost-net<br/>内核态网络]
    QEMU --> VUSER[vhost-user<br/>用户态加速]

    GUEST[Guest OS] --> VIRTIO[virtio 驱动]
    VIRTIO --> VRING[vring<br/>共享内存队列]
    VRING --> QEMU

    classDef user fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef kern fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    class QEMU,VUSER user
    class KVM,HW,VHOST kern
    class GUEST,VIRTIO,VRING user

二、/dev/kvm 接口

int kvm_fd = open("/dev/kvm", O_RDWR);
int vm_fd = ioctl(kvm_fd, KVM_CREATE_VM, 0);
int vcpu_fd = ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_VCPU, 0);

// 设置内存
struct kvm_userspace_memory_region mem = { ... };
ioctl(vm_fd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &mem);

// 运行
while (1) {
    ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0);
    switch (run->exit_reason) {
    case KVM_EXIT_IO:
        // 处理 I/O
    case KVM_EXIT_MMIO:
        // 处理 MMIO
    }
}

KVM 只负责 vCPU 执行和内存管理 → 设备模拟交给 QEMU。

三、QEMU 用户态

QEMU 提供：

• 设备模拟（磁盘、网卡、显卡、USB）
• 固件（SeaBIOS/OVMF）
• 串口、VNC/SPICE

qemu-system-x86_64 \
    -enable-kvm \
    -cpu host \
    -m 4G \
    -drive file=disk.qcow2,if=virtio \
    -netdev user,id=net0 -device virtio-net-pci,netdev=net0

四、virtio

半虚拟化 I/O 标准：

4.1 vring

Guest 写 descriptor → 通知 Host（doorbell）→ Host 处理 → 写 used ring → 通知 Guest

共享内存队列 → 减少数据拷贝。

五、vhost-net

网络数据路径在内核中完成 → 不经过 QEMU 用户态：

Guest virtio-net → vring → vhost-net（内核）→ tap 设备

减少用户态/内核态切换 → 网络性能大幅提升。

六、vhost-user

Guest virtio → vring → vhost-user 后端（DPDK/SPDK）

用户态进程直接访问 vring → 适合 DPDK 高性能网络。

七、eventfd / irqfd

// eventfd: QEMU 通知 KVM 注入中断
ioctl(vm_fd, KVM_IRQFD, &irqfd);

// ioeventfd: Guest I/O 通知 QEMU
ioctl(vm_fd, KVM_IOEVENTFD, &ioeventfd);

基于 eventfd → 高效的异步通知 → 避免 VM-exit。

八、IOMMU / VFIO

# 设备直通
vfio-pci bind → Guest 直接访问硬件

IOMMU 提供 DMA 隔离 → Guest 只能访问分配给它的内存。

九、机密计算集成

# SEV Guest
qemu-system-x86_64 -object sev-guest,id=sev0,cbitpos=47,reduced-phys-bits=1 \
    -machine memory-encryption=sev0

十、小结

• KVM = 内核模块 → 复用 Linux 调度器和内存管理
• QEMU = 用户态设备模型 → 通过 ioctl 控制 KVM
• virtio = 半虚拟化 I/O → vring 共享内存
• vhost-net/vhost-user 加速网络
• VFIO + IOMMU 实现设备直通

参考文献

• arch/x86/kvm/
• Documentation/virt/kvm/api.rst
• virtio specification (OASIS)
• virt/kvm/vhost/

工具

• qemu-system-x86_64
• virsh
• /dev/kvm
• vfio-pci

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