🔨 整理中 · 这一篇讲 KVM——内核里的硬件虚拟化引擎,靠 CPU 虚拟化扩展给 Guest 提供 vCPU、加速内存。素材以 6.19 源码 + kernel.org KVM 文档 为权威。KVM 本身只管"虚拟 CPU + 内存",设备仿真交给用户态的 QEMU(下一片)。

做什么

KVM 的目标是"让 Guest 跑得快"——纯 QEMU 全仿真 Guest 的每条指令(翻译执行),慢;KVM 利用 CPU 硬件虚拟化扩展(Intel VT-x、AMD-V、ARM64 VHE),让 Guest 的 vCPU 直接在物理 CPU 上跑,只在 Guest 执行敏感指令(改中断/页表/IO)时"陷出(trap)"到 Host 处理,处理完再"陷回"继续跑 Guest。这样 Guest 的常规指令接近原生速度,只有敏感指令有切换开销。这一篇讲 KVM 的用户态接口(/dev/kvm + ioctl)、vCPU 怎么跑、内存怎么虚拟化。

要了解什么

一、/dev/kvm + ioctl:KVM 的用户态接口

KVM 作为内核模块,暴露一个字符设备 /dev/kvm。用户态(QEMU)通过 ioctl 创建并控制 VM,核心 ioctl 链(include/uapi/linux/kvm.h):

• KVM_CREATE_VM → 拿到一个 vm fd
• KVM_CREATE_VCPU(vm, id) → 给 VM 创建一个 vCPU,拿到 vcpu fd
• KVM_RUN(vcpu) → 跑这个 vCPU(陷入 Guest 执行,直到 Guest 陷出才返回)
• KVM_SET_USER_MEMORY_REGION(vm, ...) → 给 VM 注册一段"Guest 物理地址 → Host 用户态内存"的映射
• KVM_GET_REGS/KVM_SET_REGS、KVM_GET_SREGS/KVM_SET_SREGS → 读写 vCPU 寄存器(初始化 Guest 状态、调试)

这套 ioctl 的设计精髓:KVM 只管 vCPU/内存,设备仿真在用户态(QEMU)。Guest 访问一个虚拟设备(比如读虚拟串口)→ KVM 检测到 IO 访问 → KVM_RUN 返回(告诉 QEMU"Guest 想读这个 IO 地址")→ QEMU 仿真设备、给出数据 → 再 KVM_RUN 继续 Guest。CPU/内存走 KVM(快),设备走 QEMU(灵活)。

二、vCPU 的运行:陷出与陷回

vCPU 跑(KVM_RUN)时,内核把物理 CPU 切到"Guest 模式"(ARM64 EL2 控制下进 Guest EL1),执行 Guest 代码。当 Guest 执行了需要 Host 介入的指令(如 HLT 等待、IO 读写、缺页、敏感寄存器访问),CPU 自动"陷出"到 KVM → KVM 决定怎么处理(IO 交给用户态 QEMU、其他内部处理)→ 处理完再回 Guest。这个"Guest ↔ Host 切换"靠硬件虚拟化扩展完成(Intel VT-x 的 VMX root/non-root 模式切换、ARM64 的 EL2/EL1 异常层级),开销比纯软件仿真小得多。

三、内存虚拟化:Stage2/EPT

Guest 看到的"物理地址(GPA)"不是真物理地址,要再翻译成 Host 物理地址(HPA)。两种办法:

• 影子页表(老):KVM 维护一张 GPA→HPA 的影子页表,MMU 直接用它——开销大(维护成本)。
• 二阶段页表(EPT/Stage2,现代):CPU 硬件支持二阶段翻译——Guest 自己的页表翻译虚拟→GPA(阶段 1),KVM 配置的 EPT(x86)/Stage2(ARM64)页表翻译 GPA→HPA(阶段 2)。两阶段由 MMU 硬件自动完成,没有软件翻译开销。这是现代 KVM 内存虚拟化的标准。

ARM64 的 KVM 用 VHE(Virtualization Host Extensions)把 Host 内核也跑在 EL2(以前 Host 在 EL1、KVM 在 EL2,切换开销大;VHE 让 Host 直接在 EL2,减少切换)。

四、KVM 的架构代码

KVM 在 arch/<arch>/kvm/:arch/x86/kvm/、arch/arm64/kvm/、arch/riscv/kvm/。每架构实现自己的 vCPU 陷出处理、Stage2 页表、寄存器虚拟化。通用部分在 virt/kvm/、UAPI 在 include/uapi/linux/kvm.h。

动手试试

1. ls -l /dev/kvm(有 = 内核 KVM 模块加载 + CPU 支持虚拟化);lscpu | grep Virtualization
2. lsmod | grep kvm(kvm + kvm_intel/kvm_amd/kvm_arm)
3. 读 arch/arm64/kvm/ 的入口(kvm.c/arm.c/mmu.c Stage2),看 KVM_RUN 的实现路径
4. QEMU 带 -enable-kvm 启动 x86 Guest(同架构才可),对比不带 KVM 的速度
5. 思考题:为什么 KVM 把"设备仿真"留给用户态 QEMU,而不放进内核?(提示:内核放硬件相关 + 高频,设备多样且灵活 → 用户态)

延伸阅读

• 源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/uapi/linux/kvm.h(所有 KVM_* ioctl 号 + 结构);virt/kvm/kvm_main.c(通用 KVM core);架构部分 arch/arm64/kvm/(guest.c/mmu.c Stage2/hyp/ hypervisor 代码,运行在 EL2)、arch/x86/kvm/(VMX/SVM)、arch/riscv/kvm/。
• kernel.org:KVM、KVM ARM64、Documentation/virt/kvm/。
• 关联本站:本篇是 01 总览 的 KVM 展开;QEMU 配合在 03;本站 ARM64 Guest 在 x86 宿主跑用 QEMU TCG(非 KVM),05 QEMU。