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深度理解 KVM：Linux 内核系统学习的重要角度

news 2025/7/19 6:21:42

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深度理解 KVM：Linux 内核系统学习的重要角度

作者：嵌入式 Jerry

一、为什么开发者需要学习 KVM？

KVM (全称 Kernel-based Virtual Machine)，是 Linux 内核内置的虚拟化子系统。对于 BSP 工程师、系统工程师而言，KVM 不仅是一套虚拟化技术，更是一个进入 Linux 内核架构、高效资源管理、硬件抽象经验的重要入口。

在这里插入图片描述

二、KVM 是什么？在内核里怎么实现？

基本概念

KVM 是一个属于 Linux 内核的虚拟化模块
利用硬件虚拟化支持（Intel VT-x，AMD-V）
每个 VM 是一个普通的 Linux 进程
KVM + QEMU = 完整虚拟机基础架构

核心组件

组件	作用
`kvm.ko`	基础 KVM 内核模块
`kvm-intel.ko`、`kvm-amd.ko`	根据 CPU 硬件同步 VMEXIT/虚拟指令
`/dev/kvm`	用户态与内核互操接口
QEMU	虚拟 BIOS，虚拟硬件，用户态设备模型

三、学习 KVM 能帮助我们了解什么？

1. 加深对 Linux 进程/线程/调度等组技术的理解

每个 vCPU 是一个 Linux 线程，等同于把 Guest CPU 展示为主机线程
用户态 VM 通过 /dev/kvm 与内核交互，通过 ioctl 启动 VM
内核通过 VMX 组技术，进行虚拟快照

实例：看看 VM 线程是否正常运行

ps -ef | grep qemu
cat /proc/`pidof qemu-system-x86_64`/status

2. 实际理解 MMU/页表/内存映射

不同 VM 有自己的 Guest page table，内核进行 shadow page 同步
使用 Extended Page Table 扩展 CPU 虚拟内存

实例：查看主机页表分配结果

cat /proc/meminfo | grep HugePages

3. 系统资源分配和隔离机制

KVM 使用 Linux 组织，支持 cgroup 限制资源
设置 CPU 线程亲和性：taskset, virsh vcpupin

实例：给 VM 给定线程线序组

taskset -c 1-3 qemu-system-x86_64 -smp 3 -enable-kvm [...]

4. 完整设备模型的构造

VirtIO 使用共享内存和 ring buffer 接口，构建高性能虚拟设备

实例：启用 virtio-blk 磁盘

qemu-system-x86_64 [...other opts...] \-drive file=rootfs.img,if=virtio,format=raw

四、KVM 应用场景分析

场景	说明
边缘计算	SoC 上运行多个客户系统，实现快速应用切换
安全隔离	把每个任务放入不同 VM，防止信息溃露
多系统调试	同一个开发板进行多个 Linux/实时系统游玩
AI 模型分布	两个 VM 分别运行不同的模型，互不干扰
FPGA/专用硬件分布	通过 VFIO + IOMMU 实现设备直通

五、如何学好 KVM？

1. 理解基础理论

虚拟化分类：Type 1 vs Type 2
VT-x / AMD-V 是什么？
运行时 VMEXIT / VMENTRY 条件

2. 编译和启用 KVM

内核打开 CONFIG_KVM
modprobe kvm-intel
ls /dev/kvm 确认设备

3. 实践 QEMU + KVM 启动虚拟机

qemu-system-x86_64 \-enable-kvm \-m 1024 -smp 2 \-kernel bzImage \-append "root=/dev/vda console=ttyS0" \-drive file=rootfs.ext4,format=raw \-nographic