文章目录
- 虚拟化技术介绍
-
- 一、虚拟化基础概念
-
- [1. 什么是虚拟化](#1. 什么是虚拟化)
- [2. 重要概念（必背）](#2. 重要概念（必背）)
- [3. 虚拟化发展史关键节点](#3. 虚拟化发展史关键节点)
- [4. 虚拟化三种类型（易考对比）](#4. 虚拟化三种类型（易考对比）)
- [5. 虚拟化四大特点](#5. 虚拟化四大特点)
- [二、CPU 虚拟化](#二、CPU 虚拟化)
-
- [1. 需要解决的两个问题](#1. 需要解决的两个问题)
- [2. x86 特权级 Ring](#2. x86 特权级 Ring)
- [3. CPU 与 vCPU 对应关系](#3. CPU 与 vCPU 对应关系)
- 三、内存虚拟化
-
- [1. 需要解决的两个问题](#1. 需要解决的两个问题)
- [2. 核心：三级地址转换（必背）](#2. 核心：三级地址转换（必背）)
- [3. MMU](#3. MMU)
- [4. 影子页表 vs EPT](#4. 影子页表 vs EPT)
- [5. 透明大页 THP](#5. 透明大页 THP)
- [四、I/O 虚拟化](#四、I/O 虚拟化)
-
- [1. 需要解决的两个问题](#1. 需要解决的两个问题)
- [2. QEMU/KVM 三类 I/O 设备（重点对比）](#2. QEMU/KVM 三类 I/O 设备（重点对比）)
- [五、Xen 虚拟化](#五、Xen 虚拟化)
- [六、KVM 虚拟化（重点）](#六、KVM 虚拟化（重点）)
-
- [1. KVM 简介](#1. KVM 简介)
- [2. 1型虚拟化 vs 2型虚拟化（补充）](#2. 1型虚拟化 vs 2型虚拟化（补充）)
- [七、KVM 与 QEMU（补充）](#七、KVM 与 QEMU（补充）)
-
- [1. 分工（必背）](#1. 分工（必背）)
- [2. Xen 与 KVM 架构对比](#2. Xen 与 KVM 架构对比)
- [3. KVM 三种运行模式](#3. KVM 三种运行模式)
- [八、虚拟化平台管理工具 Libvirt（补充）](#八、虚拟化平台管理工具 Libvirt（补充）)
-
- [1. Libvirt 是什么](#1. Libvirt 是什么)
- [2. Libvirt 四大管理工具（必记）](#2. Libvirt 四大管理工具（必记）)
- 九、必背缩略语
- 十、考点速记
虚拟化技术介绍
一、虚拟化基础概念
1. 什么是虚拟化
将任何一种形式的资源抽象成另一种形式的技术都是虚拟化，是资源的一种逻辑表示 。本质是解除物理硬件与操作系统之间的紧耦合，把资源抽象成共享资源池，OS 从池中分配资源。
2. 重要概念（必背）
| 概念 |
含义 |
| Host Machine |
物理机（宿主机硬件） |
| Host OS |
运行在物理机上的操作系统 |
| Hypervisor（VMM） |
虚拟化软件层 / 虚拟机监控机（Virtual Machine Monitor） |
| Guest Machine |
虚拟机 |
| Guest OS |
虚拟机里的操作系统 |
3. 虚拟化发展史关键节点
| 年份 |
事件 |
| 1964 |
IBM 首次在大型机上尝试虚拟化 |
| 1999 |
VMware 推出 x86 虚拟化产品 |
| 2002 |
Xen 开源 |
| 2006 |
Qumranet 宣布 KVM 诞生 |
| 2007.2 |
KVM 集成进 Linux 2.6.20 内核 |
| 2008 |
微软 Hyper-V；LXC 容器推出 |
| 2010 |
红帽 RHEL 6.0 默认仅提供 KVM |
| 2013 |
Docker 推出 |
4. 虚拟化三种类型（易考对比）
| 类型 |
实现方式 |
是否改 Guest OS |
优缺点 |
| 全虚拟化 |
VMM 实现 CPU、内存、设备 I/O 全部虚拟化 |
不需要改 |
兼容性好，但处理器额外开销大 |
| 半虚拟化 |
VMM 只做 CPU/内存，I/O 由 Guest OS 自己实现 |
必须修改 Guest OS |
兼容性差，但性能好 |
| 硬件辅助虚拟化 |
借助处理器硬件支持实现高效全虚拟化（Intel VT-x / AMD-V） |
不需要改 |
兼容性好，是未来发展趋势 |
5. 虚拟化四大特点
| 特点 |
一句话说明 |
| 分区 |
一台物理机上同时运行多台虚拟机 |
| 隔离 |
虚拟机之间相互隔离，一台崩溃不影响其他 |
| 封装 |
整台 VM 环境封装成独立文件，拷走文件即可迁移 |
| 相对硬件独立 |
VM 无需修改即可在任何服务器上运行 |
二、CPU 虚拟化
1. 需要解决的两个问题
- 如何模拟 CPU 指令（敏感指令）
- 敏感指令：可以读写系统关键资源的指令
- 特权指令 ：绝大多数敏感指令是特权指令，只能在处理器最高特权级（内核态 Ring 0）执行
- 如何让多台 VM 共享 CPU：定时器中断触发时陷入 VMM，由 VMM 按调度机制分配 CPU
2. x86 特权级 Ring
- x86 有 4 个特权级：Ring 0（内核态，最高）→ Ring 1 → Ring 2 → Ring 3（用户态）
- 无虚拟化时：OS 内核占 Ring 0，应用程序在 Ring 3
- 全虚拟化（二进制翻译）：VMM 捕获 Guest OS 指令 → 翻译 → 模拟执行
- 硬件辅助虚拟化 ：CPU 新增 root 模式（VMM 运行）和非 root 模式（Guest 运行），Guest 执行特权指令自动陷入 VMM，效率高
3. CPU 与 vCPU 对应关系
- 一个物理核心（含超线程 Super Thread）可虚拟出多个 vCPU
- vCPU 由 CPU 统一调度，虚拟机看到的 vCPU 本质是被调度的执行线程
三、内存虚拟化
1. 需要解决的两个问题
传统 OS 认为：①内存都从物理地址 0 开始；②内存都是连续的。但物理地址 0 只有一个，连续分配效率低 → 需要虚拟化抽象。
2. 核心：三级地址转换（必背）
| 缩写 |
全称 |
含义 |
| GVA |
Guest Virtual Address |
客户机虚拟地址（Guest OS 里程序看到的地址） |
| GPA |
Guest Physical Address |
客户机物理地址（Guest OS 认为的"物理内存"） |
| HVA |
Host Virtual Address |
宿主机虚拟地址 |
| HPA |
Host Physical Address |
宿主机真实物理地址 |
转换路径：GVA → GPA → HPA（KVM 中虚机的物理内存就是 qemu-kvm 进程占用的内存空间）
3. MMU
- Memory Management Unit，内存管理单元
- 功能：虚拟地址 → 物理地址的转换，以及内存保护、缓存控制、总线仲裁
4. 影子页表 vs EPT
| 技术 |
原理 |
特点 |
| 影子页表 |
软件维护 GVA→HPA 的直接映射表，省去多次转换 |
实现复杂，页表维护开销大 |
| EPT（Intel）/ NPT（AMD） |
CPU 硬件直接完成 GVA→GPA→HPA 两级转换 |
硬件自动完成，效率高，降低实现复杂度 |
EPT 工作流程：CR3 寄存器把 GVA 转成 GPA，EPT 再把 GPA 转成 HPA，两次转换都由 CPU 硬件自动完成。
5. 透明大页 THP
- 普通页 4K，THP 大页 = 2M，对使用者完全透明
- 作用：提高 TLB 命中率、减少访存时间、减少页表项、提高 CPU Cache 效率
- 需要共享或 swap 时拆回 4K；兼容 KSM、EPT/NPT、影子页表
四、I/O 虚拟化
1. 需要解决的两个问题
- 设备发现：控制每台 VM 能访问哪些设备
- 访问截获：截获 Guest OS 通过 I/O 端口或 MMIO 对设备的访问（设备通过 DMA 与内存交换数据）
2. QEMU/KVM 三类 I/O 设备（重点对比）
| 方式 |
原理 |
优点 |
缺点 |
| 全模拟（模拟设备） |
QEMU 纯软件模拟完整设备（PIO/MMIO/DMA/中断接口一致） |
兼容好，不影响 VM 软件栈，可模拟不存在的设备 |
每次 I/O 多次上下文切换（VM↔Hypervisor、QEMU↔Hypervisor），性能最差 |
| Virtio（半虚拟化） |
VM 内装 Front-end 前端驱动，主机上跑 Back-end 后端驱动，二者通过共享内存高效通信 |
减少数据传输开销，性能好；用 Eventfd 做轻量级等待/通知、Batched I/O 批处理 |
需要 VM 装专用 virtio 驱动 |
| PCI 设备直接分配 |
把宿主机物理 PCI/PCI-E 设备独占 分配给一台 VM，靠 VT-d（IOMMU） 硬件支持 |
性能接近物理机，几乎不需要 Hypervisor 参与 |
一个设备只能给一台 VM，利用率低 |
性能排序：PCI 直通 > Virtio > 全模拟
五、Xen 虚拟化
- Xen 的 Hypervisor 是服务器 BIOS 启动后载入的第一个程序
- Dom0（Domain 0） ：
- 具有特殊权限的管理虚拟机，OS 为 Linux/Unix
- 唯一能直接访问物理硬件（存储、网卡）的 VM，加载物理驱动
- 负责控制管理 Hypervisor，为其他 VM 提供硬件访问桥梁
- DomU（Domain U）：普通业务虚拟机，通过虚拟驱动经 Dom0 访问硬件
- 架构：Hardware → Xen Hypervisor → Dom0（带物理驱动）+ 多个 DomU（带虚拟驱动）
六、KVM 虚拟化（重点）
1. KVM 简介
- KVM：Kernel-based Virtual Machine，基于内核的虚拟机
- 本质是 Linux 内核中的虚拟化模块 kvm.ko，复用 Linux 内核做任务调度、内存管理、硬件交互
- 开源，2007 年 2 月集成进 Linux 2.6.20 内核
- KVM 中，一台虚拟机就是一个 Linux 进程，由 CPU 调度运行
- KVM 运行在内核空间，只负责 CPU、内存虚拟化，本身不做任何设备模拟
2. 1型虚拟化 vs 2型虚拟化（补充）
| 类型 |
别名 |
架构 |
代表产品 |
优点 |
| 1 型虚拟化 |
裸金属型 |
Hypervisor 直接装在服务器硬件上，无宿主机 OS |
KVM、Xen、VMware ESXi（企业级） |
性能强 |
| 2 型虚拟化 |
宿主型 |
先装宿主机 OS（如 Win10），虚拟化软件作为应用程序运行 |
VMware Workstation（和 QQ 一样跑在 Win10 上） |
开发简单 |
大白话：1 型 = Hypervisor 直接踩硬件；2 型 = 虚拟化软件寄居在现成的操作系统里。
七、KVM 与 QEMU（补充）
1. 分工（必背）
| 组件 |
负责部分 |
说明 |
| KVM |
CPU 虚拟化 + 内存虚拟化 |
内核模块，基于硬件辅助，性能强 |
| QEMU |
I/O 设备虚拟化（网卡、USB、磁盘等输入输出设备） |
用户空间纯软件模拟 |
- QEMU 本身是一款开源虚拟化软件，能模拟整套虚拟机（CPU、内存、IO、USB、网卡），但它纯软件模拟 CPU/内存的性能很差
- KVM 诞生背景（课堂补充）：以色列公司 Qumranet 为了开发桌面云，顺带着开发了 KVM
- 二者结合成 qemu-kvm：QEMU 负责 IO 虚拟化，KVM 负责 CPU/内存虚拟化，取长补短
- 通信接口：QEMU 通过
/dev/kvm 设备文件与内核中的 KVM 模块交互
2. Xen 与 KVM 架构对比
- Xen：Hypervisor 直接管硬件 → Dom0 跑物理驱动和后端 → DomU 跑前端驱动
- KVM：Linux 内核本身就是 Hypervisor（KVM 模块）→ QEMU 作为用户空间进程模拟设备 → Guest OS
3. KVM 三种运行模式
| 模式 |
运行位置 |
干什么 |
| 客户模式（Guest） |
VMX Non-Root |
执行 Guest OS 客户机代码 |
| 内核模式（Kernel） |
Linux 内核 / KVM 模块（VMX Root） |
处理 VM Exit，负责 CPU/内存调度 |
| 用户模式（User） |
用户空间 QEMU |
处理 I/O 设备模拟、执行 ioctl 调用 KVM |
工作流程：QEMU 用户模式发起 ioctl → KVM 内核模式进入客户模式执行 Guest 代码 → 遇到 I/O 或信号触发退出（VM Exit）→ 回到用户模式由 QEMU 处理 I/O → 循环
八、虚拟化平台管理工具 Libvirt（补充）
1. Libvirt 是什么
- 一套 C 语言开发的 API ，提供通用、稳定的软件层来统一管理物理机上多种虚拟化方式
- Linux 上的开源虚拟化库，支持远程管理
- 被管理对象不限 KVM，还可以是 Xen、VMware、Hyper-V、VirtualBox 等（对上屏蔽底层差异）
2. Libvirt 四大管理工具（必记）
| 工具 |
作用 |
| virsh |
命令行管理工具（最常用） |
| virt-manager |
图形界面管理工具 |
| virt-viewer |
查看/连接虚拟机控制台 |
| virt-install |
创建虚拟机 |
架构层次：用户工具（virsh/virt-manager 等）→ libvirt（daemon + API） → 底层 Hypervisor（KVM/QEMU、Xen、VMware...）
九、必背缩略语
| 缩写 |
全称 |
中文 |
| VMM |
Virtual Machine Monitor |
虚拟机监控器（Hypervisor） |
| KVM |
Kernel-based Virtual Machine |
基于内核的虚拟机 |
| GVA/GPA/HPA |
Guest Virtual/Guest Physical/Host Physical Address |
客户机虚拟/客户机物理/宿主机物理地址 |
| MMU |
Memory Management Unit |
内存管理单元 |
| EPT |
Extended Page Tables |
扩展页表（Intel 硬件内存虚拟化） |
| THP |
Transparent Huge Pages |
透明大页 |
| VT-d |
Intel Virtualization Technology for Directed I/O |
Intel I/O 直通技术（IOMMU） |
| Dom0/DomU |
Domain 0 / Domain U |
Xen 管理域 / 普通客户域 |
十、考点速记
- 虚拟化本质：硬件与 OS 解耦、资源池化 ；四大特点：分区、隔离、封装、硬件无关
- 全虚拟化不改 Guest OS（兼容好、开销大）；半虚拟化要改 Guest OS （性能好、兼容差）；硬件辅助虚拟化是趋势
- 特权指令只能在 Ring 0 内核态 执行；硬件辅助虚拟化引入 root / 非 root 模式
- 内存地址转换：GVA → GPA → HPA ；EPT 由 CPU 硬件完成转换，影子页表靠软件
- I/O 虚拟化三种方式：全模拟（QEMU，最慢）、Virtio（前后端+共享内存）、PCI 直通（VT-d，最快）
- Xen：Dom0 是唯一能直接访问硬件的管理 VM，DomU 是普通虚拟机
- KVM = Linux 内核模块 kvm.ko，一台虚拟机 = 一个 Linux 进程，2007.2 进入 Linux 2.6.20
- 1 型（裸金属：KVM/Xen/ESXi，性能强）vs 2 型（宿主型：Workstation，开发简单）
- KVM 管 CPU+内存，QEMU 管 I/O，通过 /dev/kvm 通信，合称 qemu-kvm
- KVM 三模式：客户模式、用户模式（QEMU）、内核模式（KVM）
- Libvirt 统一管理 KVM/Xen/Hyper-V；virsh 命令行、virt-manager 图形界面、virt-viewer 查看、virt-install 创建