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title: KVM 架构
url: https://doc.liz6.com/linux-kernel/13-kvm-and-virtualization/01-kvm-architecture
locale: zh
area: linux-kernel
tags:
- linux-kernel
- KVM与虚拟化
date: 2026-06-30
modified: 2026-07-11
description: '覆盖: KVM 作为 Linux hypervisor → VMX/SVM 硬件虚拟化 → vCPU 生命周期 → VM exit 处理 → KVM + QEMU 协作模型 → /dev/kvm ioctl API 内核版本: 2.6.20 ~ 6.x'
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# KVM 架构
> 覆盖: KVM 作为 Linux hypervisor → VMX/SVM 硬件虚拟化 → vCPU 生命周期 → VM exit 处理 → KVM + QEMU 协作模型 → /dev/kvm ioctl API
> 内核版本: 2.6.20 ~ 6.x
## 概述
KVM (Kernel-based Virtual Machine) 把 Linux 内核转变为一个 type-1 hypervisor——利用 Intel VMX 或 AMD SVM 硬件虚拟化扩展，让 guest 在 VMX non-root 模式下直接运行在物理 CPU 上。每个 VM 是用户态的一个 QEMU 进程，每个 vCPU 是进程中的一个线程。
## 架构分层
## VM Entry / VM Exit
## vCPU 线程模型
```c
// 每个 vCPU = 一个 QEMU 线程, 执行循环:
while (running) {
ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0);
// 返回: VM exit
switch (vcpu->kvm_run->exit_reason) {
case KVM_EXIT_IO: handle_io(vcpu); break;
case KVM_EXIT_MMIO: handle_mmio(vcpu); break;
case KVM_EXIT_IRQ_WINDOW_OPEN: inject_interrupt(vcpu); break;
// ...
}
}
```
### Scheduler 交互
```c
// KVM 通过 preempt notifier 知道 vCPU 何时被抢占:
// → kvm_sched_out(): vCPU 被调度出去了
// → kvm_sched_in(): vCPU 获得了 CPU
// 用于: steal time accounting, TSC 偏移计算
```
## /dev/kvm 接口
```c
// 创建 VM:
int kvm_fd = open("/dev/kvm", O_RDWR);
int vm_fd = ioctl(kvm_fd, KVM_CREATE_VM, 0);
// 注册内存 (guest 物理地址空间):
struct kvm_userspace_memory_region region = {
.slot = 0, .guest_phys_addr = 0, .memory_size = 1ULL << 30,
.userspace_addr = (__u64)guest_ram_ptr, .flags = 0 };
ioctl(vm_fd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, ®ion);
// 创建 vCPU:
int vcpu_fd = ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_VCPU, cpu_id);
// 获取 KVM 版本/能力:
int version = ioctl(kvm_fd, KVM_GET_API_VERSION, 0);
struct kvm_cpuid2 cpuid = { .nent = N };
ioctl(kvm_fd, KVM_GET_SUPPORTED_CPUID, &cpuid);
```
## 中断注入
```c
// KVM 将中断注入给 guest:
// 1. 设置 VMCS (VMX) 或 VMCB (SVM) 的中断信息字段
// 2. 设置 interrupt window → VM entry 后 guest 立即响应
// 3. 如果 vCPU 没在跑 (被调度出去) → 设 kick flags
// 中断来源:
// - virtio 设备 (msix)
// - 模拟设备 (8259A PIC, IOAPIC)
// - IPI (guest 内多 vCPU)
// - timer (hrtimer→KVM timer)
```
## 参考
- **源码**: `virt/kvm/kvm_main.c` (核心), `arch/x86/kvm/vmx/vmx.c` (Intel VMX), `arch/x86/kvm/svm/svm.c` (AMD SVM)
- **内核文档**: `Documentation/virt/kvm/`
- **LWN**: "KVM: the Linux virtual machine monitor"
*关键词: KVM, VMX, SVM, vCPU, VM exit, VMLAUNCH, VMRESUME, /dev/kvm, KVM_RUN, interrupt injection*