QEMU 学习记录

什么是 KVM？

基于内核的虚拟机 Kernel-based Virtual Machine（KVM）是一种内建于 Linux 中的开源虚拟化技术。具体而言，KVM 可帮助用户将 Linux 转变为虚拟机监控程序，使主机计算机能够运行多个隔离的虚拟环境，即虚拟客户机或虚拟机（VM）。

什么是 QEMU？

Qemu 是一个完整的可以单独运行的软件，它可以用来模拟不同架构的机器，非常灵活和可移植。它主要通过一个特殊的’重编译器’将为特定处理器编写二进制代码转换为另一种。

KVM 与 QEMU 的关系

KVM 是 Linux 的一个模块。可以用modprobe去加载 KVM 模块。加载了模块后，才能进一步通过其他工具创建虚拟机。但仅有 KVM 模块是 远远不够的，因为用户无法直接控制内核模块去作事情：还必须有一个用户空间的工具才行。这个用户空间的工具，开发者选择了已经成型的开源虚拟化软件 QEMU。KVM 使用了 QEMU 的一部分，并稍加改造，就成了可控制 KVM 的用户空间工具了。所以你会看到，官方提供的 KVM 下载有两 大部分三个文件，分别是 KVM 模块、QEMU 工具以及二者的合集。也就是说，你可以只升级 KVM 模块，也可以只升级 QEMU 工具。

QEMU 用户模式与系统模式

QEMU 属于应用层的仿真程序，它支持两种操作模式：用户模式模拟和系统模式模拟。

  • 用户模式仿真 利用动态代码翻译机制，可以在当前 CPU 上执行被编译为支持其他 CPU 的程序，如可以在 x86 机器上执行一个 ARM 二进制可执行程序。（执行主机 CPU 指令的动态翻译并相应地转换 Linux 系统调用）。
  • 系统模式仿真 利用其它 VMM(Xen, KVM) 来使用硬件提供的虚拟化支持，创建接近于主机性能的全功能虚拟机，包括处理器和配套的外围设备（磁盘，以太网等）。

用户模式

支持的 CPU：x86 (32 and 64 bit), PowerPC (32 and 64 bit), ARM, MIPS (32 bit only), Sparc (32 and 64 bit), Alpha, ColdFire(m68k), CRISv32 和 MicroBlaze 下列操作系统支持 QEMU 的用户模式模拟：

  • Linux (referred as qemu-linux-user)
  • BSD (referred as qemu-bsd-user)

调用（具体参数含义）

qemu-i386 [-h] [-d] [-L path] [-s size] [-cpu model] [-g port] [-B offset] [-R size] program [arguments...]

用户模式模拟环境下运行速度要比系统模式模拟环境下快，但并不是完美模拟，比如程序读取/proc/cpuinfo内容时，由主机内核返回，因此返回的信息是描述主机 CPU 的，而不是模拟的 CPU。

系统模式

首先创建虚拟镜像，模拟硬盘空间：

root@hanhan:/home/dominic/qemu/# qemu-img create -f qcow2 qmtest.img 10G
Formatting 'qmtest.img', fmt=qcow2 size=10737418240 encryption=off cluster_size=65536 lazy_refcounts=off 
root@hanhan:/home/dominic/qemu/# ls
qmtest.img

-f选项用于指定镜像的格式，qcow2格式是 QEMU 最常用的镜像格式，采用写时复制技术来优化性能。qmtest.img是镜像文件的名字，10G是镜像文件大小。

镜像文件创建完成后，可使用qemu-system-x86来启动x86架构的虚拟机：

qemu-system-x86_64 qmtest.img

qmtest.img 中还未安装操作系统，所以会提示“No bootable device”的错误。

其次，准备操作系统镜像 下载需要的 Linux 发行版镜像文件，https://launchpad.net/ubuntu/+cdmirrors，找到想要下载的镜像，这里以交通大学的镜像为例 右击链接复制地址：https://ftp.sjtu.edu.cn/ubuntu-cd/20.10/ubuntu-20.10-live-server-amd64.iso

root@hanhan:/home/dominic/qemu/# wget https://ftp.sjtu.edu.cn/ubuntu-cd/20.10/ubuntu-20.10-live-server-amd64.iso

最后，启动虚拟机安装操作系统

root@hanhan:/home/dominic/qemu/# qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm qmtest.img -cdrom ./Fedora-Live-Desktop-x86_64-20-1.iso

-m指定虚拟机内存大小，默认单位是 MB，-enable-kvm使用 KVM 进行加速，-cdrom添加 fedora 的安装镜像。

该模式下，要比用户模式模拟慢得多，因为模拟了目标内核，以及设备输入/输出、中断等。

QEMU 工作原理

Responsive Image

单纯使用 qemu，采用的是完全虚拟化的模式。qemu 向 Guest OS 模拟 CPU，也模拟其他的硬件，GuestOS 认为自己和硬件直接打交道，其实是同 qemu 模拟出来的硬件打交道，qemu 会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从 qemu 里面过一手，因而性能就会比较差。

完全虚拟化是非常慢的，所以要使用硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT，AMD-V，所以需要 CPU 硬件开启这个标志位，一般在 BIOS 里面设置。当确认开始了标志位之后，通过KVM，GuestOS 的 CPU 指令不用经过 Qemu 转译，直接运行，大大提高了速度。所以，KVM 在内核里面需要有一个模块，来设置当前 CPU 是 Guest OS 在用，还是 Host OS 在用。

可以通过如下命令查看内核模块中是否有 KVM

lsmod | grep kvm

KVM 内核模块通过 /dev/kvm 暴露接口，用户态程序可以通过 ioctl来访问这个接口。Qemu 将 KVM 整合进来，将有关 CPU 指令的部分交由内核模块来做，就是 qemu-kvm (qemu-system-XXX)。

qemu 和 kvm 整合之后，CPU 的性能问题解决了。另外 Qemu 还会模拟其他的硬件，如网络和硬盘。同样，全虚拟化的方式也会影响这些设备的性能。

于是，qemu 采取半虚拟化的方式，让 Guest OS 加载特殊的驱动来做这件事情。

例如，网络需要加载 virtio_net，存储需要加载 virtio_blk，Guest 需要安装这些半虚拟化驱动，GuestOS 知道自己是虚拟机，所以数据会直接发送给半虚拟化设备，经过特殊处理（例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式），最终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。

Q : 系统模式和用户模式的区别？ 系统模式 是 qemu 虚拟出一套完整的硬件环境，包含 CPU，内存，网卡，硬盘，对于虚拟机上运行的 OS 看到的和硬件和真实的是一样的。 用户模式是直接将可执行的文件进行指令翻译，只虚拟出 CPU。 假设有 KVM：host 是 x86，QEMU 虚拟出 x86 的系统模式 运行 Windows 系统。QEMU 会将 Windows 指令直接交给 host CPU 直接运行（这个功能是由 KVM 实现的，相当于直接调用 host CPU），性能损失小。内存，硬盘，网络等外设是由 qemu 虚拟出来的。 假设无 KVM：host 是 x86，QEMU 虚拟出 x86 的系统模式运行 Windows 系统。QEMU 会将 Windows 指令翻译成中间码，中间码再转成 host CPU 指令（这个功能是由 qemu TCG 实现的），性能损失大。内存，硬盘，网洛等外设是由 qemu 虚拟出来的。 假设有 KVM：host 是 x86，QEMU 虚拟出 RISC-V 的系统模式 运行 Linux 系统。QEMU 会将 Linux 指令翻译成中间码，中间码再转成 host CPU 指令（这个功能是由 qemu TCG 实现的），性能损失大。内存，硬盘，网洛等外设是由 qemu 虚拟出来的。 KVM 需要在虚拟机与宿主机架构相同时才生效。 此外，用户模式下调用 IO 硬件会报错。qemu 系统模式下会模拟出所有设备，但是模拟的 IO 设备效率低，所以后来有了半虚拟化。