虚拟化相关内容。

虚拟化与 CPU 虚拟化

一、什么是虚拟化

虚拟化（Virtualization）：
通过软件或硬件手段，将一台物理计算机的资源（CPU、内存、存储、网络）抽象为多个逻辑计算环境（虚拟机，VM），使得多个操作系统能在同一台硬件上独立运行。

• Hypervisor（虚拟机监控器）：管理和调度虚拟机的核心层。
• Guest OS（客户机操作系统）：运行在虚拟机中的操作系统。
• Host OS（宿主操作系统）：运行在物理机上的操作系统。

一句话总结：虚拟化让“一个物理机假装成多个独立机器”。

二、为什么需要虚拟化

• 资源高效利用：提升 CPU、内存等硬件使用率。
• 隔离与安全：虚拟机之间互不影响。
• 弹性与迁移：支持快照、迁移、复制。
• 云计算基础：虚拟化是 IaaS（基础设施即服务）的核心技术。

三、虚拟化的核心机制：陷入再模拟（Trap & Emulate）

当 Guest OS 执行特权操作（如访问 I/O、修改页表等）时：

1. 陷入（Trap）：CPU 触发异常，暂停虚拟机，切换到 Hypervisor；
2. 再模拟（Emulate）：Hypervisor 模拟指令的执行效果；
3. 恢复（Resume）：返回 Guest，继续执行。

虚拟化的本质： 让 Guest “以为自己直接在硬件上运行”，但实际上所有敏感操作都被 Hypervisor 控制。

四、CPU 虚拟化的核心问题与解决方案

1. 挑战：敏感非特权指令

• 某些访问硬件的指令（I/O、页表修改）在非特权级执行时不会触发陷入；
• 导致 Hypervisor 无法拦截 → 虚拟化失败。

2. 解决方案演进

五、硬件辅助虚拟化（Intel VT-x）

1. 模式划分

• Root Mode（根模式）：运行 Hypervisor，拥有最高权限。
• Non-root Mode（非根模式）：运行 Guest OS，被虚拟化的环境。

2. 关键机制

• VM Entry：从 Hypervisor 进入虚拟机（Root → Non-root）。
• VM Exit：虚拟机执行敏感指令或异常后退出到宿主机（Non-root → Root）。
• VMCS（Virtual Machine Control Structure）：
  CPU 内部的数据结构，用于保存 Guest/Host 状态与控制信息。

VT-x 让陷入与恢复由硬件自动完成，大幅提升虚拟化性能与兼容性。

六、KVM/QEMU 的虚拟化实现思路

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用户态 QEMU ───→  内核态 KVM ───→  硬件 VT-x
  （模拟器）         （接口模块）       （执行单元）

运行流程：

1. QEMU 打开 /dev/kvm 创建设备与 vCPU；
2. 调用 ioctl(KVM_RUN) 启动虚拟机；
3. Guest 在非根模式执行；
4. 触发 VM Exit → 返回 KVM → 模拟 → 再次进入。

QEMU 负责虚拟机外部逻辑（I/O 模拟），
KVM 负责内核态虚拟化逻辑（CPU 调度、内存映射），
VT-x 负责底层硬件支持。

七、中断虚拟化

• 物理中断不能直接送入虚拟机。
• Hypervisor 需拦截物理中断、再注入虚拟中断给 Guest。
• 新一代技术（Intel APICv、ARM GICv4）支持中断直通注入（Posted Interrupt），减少陷入开销。

八、CPU 虚拟化核心流程图

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Guest OS (Non-root mode)
   │ 执行特权指令
   ▼
[VM Exit] → Hypervisor (Root mode)
   │ 模拟操作 (Emulate)
   ▼
[VM Entry] → Guest 继续执行

CPU 虚拟化 = 陷入再模拟 + 硬件辅助 + 状态管理。

它让操作系统“以为”自己拥有硬件，
但所有敏感操作都在 Hypervisor 的掌控之下。