qemu、virtual box、vmware、xen都是虛擬機(jī)，一般用戶接觸到的virtual box和vmware比較多，都是用來(lái)ubuntu中跑windows，或者windows中跑ubuntu的。

qemu其實(shí)是鼎鼎大名的最基礎(chǔ)的開(kāi)源模擬器，可以純軟件模擬x86、arm、mips，這一點(diǎn)完虐其它模擬器；也可以使用硬件加速，比如linux下kvm和windows以及mac下的haxm。這些硬件加速又是基于initel VT-x, intel VT-d，以及amd對(duì)應(yīng)的技術(shù)，這些技術(shù)提供了vCPU，以及硬件的影子頁(yè)表(intel EPT)，大大減輕了qemu軟件模擬的工作量。

virtual box，qemu-kvm都使用到了qemu，但是僅僅用到了它的設(shè)備模擬功能。qemu對(duì)于gpu的模擬比較渣，所以基于qemu的Android emulator自己實(shí)現(xiàn)了opengles 的qemu pipe，使用host電腦上的opengl進(jìn)行繪圖。
xen在云計(jì)算中用的比較多，在這里不做詳細(xì)介紹。其它模擬器基本都是運(yùn)行在普通操作系統(tǒng)之上的一個(gè)進(jìn)程，每一個(gè)核是其中的一個(gè)線程。

本文介紹kvm的使用，在intel平臺(tái)下ubuntu12.04中實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的模擬器，計(jì)算2+2的結(jié)果并通過(guò)io端口輸出。

內(nèi)核中kvm api的介紹可以看：Documentation/virtual/kvm/api.txt，其它的一些文檔：Documentation/virtual/kvm/。完整的源碼：https://lwn.net/Articles/658512/。

使用kvm的真正的虛擬機(jī)，模擬了很多虛擬的設(shè)備和固件，還有復(fù)雜的初始化狀態(tài)(各個(gè)設(shè)備的初始化，CPU寄存器的初始化等)，以及內(nèi)存的初始化。本文所述的模擬器demo，將使用如下16bit的x86的代碼(為什么是16bit呢，因?yàn)閤86一上電是實(shí)模式，工作于16bit；之后再切換到32bit的保護(hù)模式的)：

這段代碼充當(dāng)了guest os，基本上算是一個(gè)裸奔的系統(tǒng)了。它實(shí)現(xiàn)了2+2，然后再加上'0'，把4轉(zhuǎn)為ascii的'4'，并通過(guò)端口0x3f8輸出。然后再輸出了'\n'，就關(guān)機(jī)了。

我們把這段代碼對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制存到數(shù)組里面：

怎么得到這些機(jī)器碼呢？

可以在這個(gè)網(wǎng)頁(yè)上查看匯編指令，以及對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼：http://x86.renejeschke.de/
注意開(kāi)頭多了一個(gè)0x66，解釋如下：

http://wiki.osdev.org/X86-64_Instruction_Encoding里面的Prefix group 3

所以我們需要在simple_os.asm文件的開(kāi)頭添加.code16，這樣的話就對(duì)了，但是objdump顯示的又不對(duì)了，需要這樣使用才行：

我們會(huì)把這段代碼，放到虛擬物理內(nèi)存，也就是GPA(guest physical address)的第二個(gè)頁(yè)面中(to avoid conflicting with a non-existent real-mode interrupt descriptor table at address 0)，防止和實(shí)模式的中斷向量表沖突。al和bl初始化為2，cs初始化為0，ip指向第二個(gè)頁(yè)面的起始位置0x1000。
除此之外，我們還有一個(gè)虛擬的串口設(shè)備，端口是0x3f8，8bit，用于輸出字符。

為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬機(jī)，我們首先需要打開(kāi)/dev/kvm：

在使用kvm之前，需要使用KVM_GET_API_VERSION ioctl()去檢查下kvm的版本是否正確，看看是否為api12，是才可以繼續(xù)運(yùn)行

檢查完api版本后，可以使用KVM_CHECK_EXTENSION ioctl()去檢查其它extensions是否可用，比如KVM_SET_USER_MEMORY_REGION，用來(lái)檢查kvm是否支持硬件影子頁(yè)表(http://royluo.org/2016/03/13/kvm-mmu-virtualization/)：

然后再創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)vm，這個(gè)vm和內(nèi)存，設(shè)備，所有的vCPU相關(guān)，在host系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程：

虛擬機(jī)需要一些虛擬物理內(nèi)存，用來(lái)存放guest os。當(dāng)guest os進(jìn)行內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)，如果缺頁(yè)，kvm會(huì)根據(jù)KVM_SET_USER_MEMORY_REGION的設(shè)置，去嘗試解決缺頁(yè)的問(wèn)題，如果kvm無(wú)法解決，就會(huì)退出，退出原因是KVM_EXIT_MMIO，然后由qemu或者其它東西去進(jìn)行設(shè)備的模擬(《android qemu-kvm內(nèi)存管理和IO映射》)。

我們先在host中申請(qǐng)一頁(yè)內(nèi)存，然后把guest os裸奔的代碼拷貝過(guò)去：

然后我們需要把host 虛擬空間的內(nèi)存和guest os虛擬物理內(nèi)存的映射關(guān)系使用KVM_SET_USER_MEMORY_REGION ioctl()告知kvm：

這樣，當(dāng)guest os訪問(wèn)到虛擬物理內(nèi)存的0x1000~0x2000之間的話，kvm會(huì)直接訪問(wèn)到mem所對(duì)應(yīng)的真實(shí)的物理內(nèi)存。

現(xiàn)在，我們有了一個(gè)虛擬機(jī)vm，有了一些虛擬物理內(nèi)存，內(nèi)存里面有g(shù)uest os的代碼，那么我們需要給虛擬機(jī)添加一個(gè)核(vCPU)，對(duì)應(yīng)一個(gè)線程。當(dāng)然也可以多核(vCPUs，調(diào)用多次KVM_CREATE_VCPU)：

每一個(gè)vCPU都和一個(gè)kvm_run結(jié)構(gòu)體相關(guān)，kvm_run用于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)信息的同步，比如從用戶態(tài)的虛擬機(jī)中獲得內(nèi)核態(tài)的kvm退出的原因，KVM_EXIT_MMIO, KVM_EXIT_IO之類的。先獲得kvm_run結(jié)構(gòu)體的大小，然后分配內(nèi)存并和vCPU進(jìn)行綁定：

vCPU中還有處理器寄存器的狀態(tài)，分為兩組，struct kvm_regs和struct kvm_sregs，我們需要設(shè)置其中的cs，al，bl，ip等寄存器：

好了，東西都準(zhǔn)備好了，我們可以開(kāi)始運(yùn)行vCPU了：

我們需要根據(jù)run->exit_reason來(lái)處理kvm的退出狀態(tài)，比如guest 關(guān)機(jī)：

初始化失敗：

以及需要進(jìn)行設(shè)備的模擬器，在這里，只有一個(gè)端口為0x3f8的串口設(shè)備。模擬設(shè)備的效果就是把字符打印出來(lái)：

測(cè)試結(jié)果：

qemu-kvm中，qemu的主要任務(wù)就是KVM_EXIT_IO, KVM_EXIT_MMIO之后的虛擬設(shè)備的模擬，以及KVM_RUN之前設(shè)置好相關(guān)的設(shè)備的東西并進(jìn)行初始化。

以上所述是小編給大家介紹的ubuntu12.04環(huán)境下使用kvm ioctl接口實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)，希望對(duì)大家有所幫助，如果大家有任何疑問(wèn)請(qǐng)給我留言，小編會(huì)及時(shí)回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對(duì)腳本之家網(wǎng)站的支持！