KVM详解（一）——KVM基础知识

今天继续给大家介绍Linux运维相关知识，本文主要内容是KVM的基础知识。

一、虚拟化简介

（一）虚拟化概述

在计算机中，虚拟化技术是一种资源管理技术，可以将计算机的各硬件资源（包括CPU、内存、磁盘、网络）等予以抽象，转换后呈现出来，以供用户更好的使用。系统虚拟化可以将底层物理设备、上层操作系统和软件之间分离，可以在一台物理设备上划分出多台机器。
虚拟化技术种类有很多，包括软件虚拟化、硬件虚拟化、内存虚拟化、网络虚拟化、虚拟机等等。

（二）虚拟化分类

对于在计算机上运行虚拟机而言，一个非常重要的问题时硬件的操控，计算机程序的运行离不开CPU、内存、磁盘等硬件的调用。在现代计算机体系结构中，这些对硬件的直接调用离不开操作系统的操控。一般情况下，不允许应用程序直接调用硬件。操作系统上一般运行着很多程序，当多个应用程序都要调用硬件时，为了防止之间的冲突与相互干扰，因此当应用程序向调用硬件资源服务时，必须通过操作系统。在硬件结构上，现代的CPU可以工作在两种模式上，即用户模式和内核模式，计算机操作系统和计算机应用软件在本质上都是代码，也可以称之为指令。为了区别计算机操作系统和计算机应用软件，CPU将操作系统的指令设置为内核模式，将应用软件的操作指令设置为用户模式。对于CPU而言，会拒绝处于用户模式的指令对硬件的直接调用，这是从底层硬件上实现的，CPU将运行状态分为了ring0到ring3，ring0就代表了内核模式，ring3就代表了用户模式。
那么如果应用程序在执行过程中，如果要调用硬件，就会产生中断，此时该应用程序会放弃对CPU的接管，转而由操作系统控制CPU，这样，CPU就处于内核模式下了，这样就可以调用硬件了。总之，应用程序是处于用户模式的，对应用系统的调用要通过操作系统。
虚拟机对宿主机而言，在本质上也是一种应用程序，运行在虚拟机上的程序，要调用系统硬件时，就相当于虚拟机这个应用程序要调用硬件，这就带来了虚拟化技术的一个重要问题，根据虚拟化技术对这个问题的解决，我们把虚拟化技术分为了三种：
1、仿真虚拟化
仿真虚拟化的思想是借助虚拟机这一平台，将虚拟机操作系统要执行的内核态指令进行“翻译”，最后返回到虚拟机操作系统上。这一套过程需要异常捕捉和异常处理机制，因此速度较慢。虚拟机操作系统认为自己的特权指令执行正常，并不知道自身处于一个虚拟的环境中。在全虚拟化中，虚拟机的用户态执行具有和系统指令执行一样的速度，但是内核态的指令由于要进行处理，因此要花费较多的时间。
2、半虚拟化
半虚拟化的思想是修改虚拟机操作系统，使其指令运行在用户态模式上，将原来的内核态质量采用其他的方式代替。这样一来，虚拟机操作系统就明白自己是在虚拟系统上运行。这样做的缺点是需要修改虚拟机操作系统的内核，与其原有的内核等价，但是能够在用户态模式上运行。XEN是一种典型的半虚拟化技术，但是由于微软的windows操作系统没有这种修改后的内核，因此XEN只支持Linux，不支持Windows。
3、硬件虚拟化
硬件虚拟化，这需要CPU硬件厂商的支持，例如Intel的Intel-VT技术。CPU厂商需要将自己的CPU进行改变，在用户态和内核态的基础上，增加专门用于虚拟机运行的模式，使得虚拟机运行在这种模式上，从而可以直接执行内核态的程序。KVM就是处于硬件虚拟化的模式。

二、KVM简介

KVM，Kernel Virtual Machine的简写，即基于内核的虚拟机。自Linux2.6.20后集成在Linux的各种发行版本中，现已成为学术界的主流虚拟机之一。
KVM的虚拟化实现是使用Linux自身的调度器进行管理，核心源码较少。在KVM中，每一个虚拟机都是由Linux调度程序管理的标准进程。但是KVM虚拟化的实现需要硬件支持（比如Intel的VT技术和AMD的V技术），是基于硬件的完全虚拟化。
KVM官网网址为：https://www.linux-kvm.org/，其主页面如下所示：

三、QEMU简介

由于KVM使用了类似QEMU的仿模拟处理器，因此在最后我们再介绍一下QEMU。QEMU是由Fabrice Bellard所编写的一款模拟处理器软件，遵循GPL协议，在Linux平台上被广泛使用。QEMU具有跨平台、高速度的特性，其运行速度能够接近真实计算机的速度。
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