CPU虚拟化

本文目的是尽量对CPU虚拟化做一个全面的介绍，并在不断完善中。

简介

在KVM打开的情况下，客户机中CPU指令的执行由硬件处理器的虚拟化功能（如Intel VT-x和AMD AMD-V）来辅助执行，具有非常高的执行效率。
QEMU/KVM为客户机提供一套完整的硬件系统环境，在客户机看来，其所拥有的CPU即是vCPU（virtual CPU）。在KVM环境中，每个客户机都是一个标准的Linux进程（QEMU进程），而每一个vCPU在宿主机中是QEMU进程派生的一个普通线程。
在普通的Linux系统中，进程一般有两种执行模式：内核模式和用户模式。而在KVM环境中，增加了第3种模式：客户模式。vCPU在3种执行模式下的不同分工如下。

1. 用户模式（User Mode）
   主要处理I/O的模拟和管理，由QEMU的代码实现。
2. 内核模式（Kernel Mode）
   主要处理特别需要高性能和安全相关的指令，如处理客户模式到内核模式的转换，处理客户模式下的I/O指令或其他特权指令引起的退出（VM-Exit），处理影子内存管理（shadow MMU）。
3. 客户模式（Guest Mode）
   主要执行Guest中的大部分指令，I/O和一些特权指令除外（它们会引起VM-Exit，被Hypervisor截获并模拟）。
   vCPU在KVM中的这3种执行模式下的转换
   
   在KVM环境中，整个系统的基本分层架构如图
   

在系统的底层CPU硬件中需要有硬件辅助虚拟化技术的支持（Intel VT或AMD-V等），宿主机就运行在硬件之上，KVM的内核部分是作为可动态加载内核模块运行在宿主机中的，其中一个模块是与硬件平台无关的实现虚拟化核心基础架构的kvm模块，另一个是硬件平台相关的kvm_intel（或kvm_amd）模块。而KVM中的一个客户机是作为一个用户空间进程（qemu）运行的，它和其他普通的用户空间进程（如gnome、kde、firefox、chrome等）一样由内核来调度，使其运行在物理CPU上，不过它由kvm模块的控制，可以在前面介绍的3种执行模式下运行。多个客户机就是宿主机中的多个QEMU进程，而一个客户机的多个vCPU就是一个QEMU进程中的多个线程。和普通操作系统一样，在客户机系统中，同样分别运行着客户机的内核和客户机的用户空间应用程序。

参考

KVM实战：原理、进阶与性能调优
CPU 虚拟化