QEMU 概述

QEMU的几个特点：

  1. QEMU可以被当作模拟器，也可以被当作虚拟机。
  2. 当QEMU被当作模拟器时，我们可以在一台机器上通过模拟设备，运行针对不同于本机上CPU的程序或者操作系统。（使用了动态翻译技术，在我们的虚拟化环境中并没有使用，因此不展开叙述）
  3. 当QEMU被当作虚拟机使用时，QEMU必须基于Xen Hypervisor或者KVM内核模块才能支持虚拟化。在这种条件下QEMU虚拟机可以通过直接在本机CPU上运行客户机代码获得接近本机的性能。

QEMU与KVM的关系

  • 当QEMU在模拟器模式下，运行操作系统时，我们可以认为这是一种软件实现的虚拟化技术，它的效率比真机差很多，用户可以明显地感觉出来。
  • 当QEMU在虚拟机模式下，QEMU必须在Linux上运行，并且需要借助KVM或者Xen，利用Intel或者Amd提供的硬件辅助虚拟化技术，才能使虚拟机达到接近真机的性能。
  • QEMU与KVM内核模块协同工作，在虚拟机进程中，各司其职，又相互配合，最终实现高效的虚拟机应用。
    我们我们主要学习的是QEMU与KVM协同工作实现虚拟化的代码。

QEMU与KVM的关系如下：

QEMU虚拟机去虚拟化 qemu虚拟机吧_运维

  • KVM在物理机启动时创建/dev/kvm设备文件，当创建虚拟机时，KVM为该虚拟机进程创建一个VM的文件描述符，当创建vCPU时，KVM为每个vCPU创建一个文件描述符。
  • 同时，KVM向用户空间提供了一系列针对特殊设备文件的ioctl系统调用。QEMU主要是通过ioctl系统调用与KVM进行交互的。

QEMU和KVM如何分工协作呢？

我们用一张图说明：

QEMU虚拟机去虚拟化 qemu虚拟机吧_QEMU虚拟机去虚拟化_02

  • QEMU所实现的功能包括：虚拟机的配置和创建、虚拟机运行依赖的虚拟设备、虚拟机运行时用户操作环境和交互（vnc）以及一些针对虚拟机的特殊技术（如动态迁移），都是QEMU自己实现的。同时QEMU还实现了利用KVM提供的接口实现虚拟机硬件加速。
  • KVM的主要功能在于初始化CPU硬件，打开虚拟化模式，然后将虚拟客户机运行在虚拟机模式下，并对虚拟客户机的运行提供支持，这些支持主要是以针对相关的特殊设备文件的ioctl系统调用。
    外设的模拟一般不会由KVM负责，只有对性能要求较高的虚拟设备，如虚拟中断控制器和虚拟时钟，是由KVM模拟的，这样可以大量减少处理器的模式转换的开销。

QEMU的代码结构

线程事件驱动模型

QEMU虚拟机去虚拟化 qemu虚拟机吧_运维_03

QEMU的体系结构正如上图展示的——每个vCPU都是一个线程，这些vCPU线程可以运行客户机的代码，以及虚拟中断控制器、虚拟时钟的模拟。

而Main loop主线程则是Event-driver的，通过轮询文件描述符，调用对应的回调函数，处理由Monitor发出的命令、Timers超时，并且实现VNC、完成IO等功能。

QEMU事件驱动的代码主要可以查看include/qemu/main-loop.h，以及相关的实现代码。

QEMU设备模拟

  • QEMU为了实现大量设备的模拟，实现了比较完备的面向对象模型——QOM（QEMU Object Model），QEMU对于CPU、内存、总线以及主板的模拟都是依赖于QOM的。
  • QEMU中设备相关的数据结构的初始化工作都是依赖于QOM的初始化实现机制,对于它的实现主要可以查看include/qom/object.h。
  • 对于具体的CPU、内存等设备的模拟，可以查看include/qom/cpu.h、include/exec/memory.h、include/hw/qdev-core.h

QEMU虚拟机管理命令

QEMU中可以使用hmp command对虚拟机进行管理，在虚拟机环境中同时按住ctrl、Alt、2就可以进入QEMU的命令模式,通过输入命令，就可以进行虚拟机的管理。
比如savevm命令可以把虚拟机的当前状态保存到虚拟机的磁盘中,这些命令的实现函数都有一个统一的命名方式：hmp_xxx，比如hmp_savevm就是savevm的实现函数的起始位置，
hmp_migrate就是migrate的实现函数的起始位置,因此对于QEMU中的每一条命令都可以很快找到相关的实现函数。

块操作

  • QEMU实现了大量的块设备驱动，从而支持了包括qcow2、qed、raw等格式的镜像，这些格式的实现代码都在block的文件夹下以及主目录下的block.c中。
  • QEMU设计了BlockDriver数据结构，其中包含了大量的回调函数指针，对于每一种磁盘格式，都有一个对应的BlockDriver的对象，并且实现了BlockDriver中的回调函数，然后将这个BlockDriver的对象注册，即添加到一个全局的BlockDriver的链表中。

QEMU源码编译

QEMU的编译过程并不复杂，首先进入QEMU的代码目录后，首先运行./configure –help，查看qemu支持的特性。
选择相关的特性进行编译,由于我们使用的X86_64的平台，我们使用下列命令配置：
./configure –enable-debug –enable-kvm –target-list=x86_64-softmmu
上述命令会生成Makefile文件，然后直接make就可以了，为了加速编译可以使用多线程：make -j number。

./configure命令运行时会检查物理机的环境，检查需要的相关的库是否已经安装在宿主机上。
因此可能由于相关库没有安装而中断，其中一些库包括：
pkg-config、zlib1g-dev、libglib2.0-dev、libpixman-1-dev、make等，库都可以通过ubuntu的包管理命令apt-get install直接安装。

如果需要把QEMU安装到系统中可以使用make install命令。

后面我会单独介绍 QEMU+KVM《纯命令行方式安装管理虚拟机》记录的文章,如感兴趣可查阅。