英文原文：https://lwn.net/Articles/658511/。本文在翻譯的基礎(chǔ)上加了一些自己的理解。

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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。

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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io端口輸出。

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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/。

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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)：

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mov $0x3f8, %dxadd %bl, %aladd $'0', %alout %al, (%dx)mov $'\n', %alout %al, (%dx)hlt
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'，并通過端口0x3f8輸出。然后再輸出了'\n'，就關(guān)機(jī)了。

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

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const uint8_t code[] = {0xba, 0xf8, 0x03, /* mov $0x3f8, %dx */0x00, 0xd8, /* add %bl, %al */0x04, '0', /* add $'0', %al */0xee, /* out %al, (%dx) */0xb0, '\n', /* mov $'\n', %al */0xee, /* out %al, (%dx) */0xf4, /* hlt */}; 怎么得到這些機(jī)器碼呢？

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shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ cat simple_os.asmmov $0x3f8, %dxadd %bl, %aladd $'0', %alout %al, (%dx)mov $'\n', %alout %al, (%dx)hlt shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ as -o simple_os.o simple_os.asm shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ objdump -d simple_os.osimple_os.o: file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <.text>:0: 66 ba f8 03 mov $0x3f8,%dx4: 00 d8 add %bl,%al6: 04 30 add $0x30,%al8: ee out %al,(%dx)9: b0 0a mov $0xa,%alb: ee out %al,(%dx)c: f4 hlt 可以在這個(gè)網(wǎng)頁上查看匯編指令，以及對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼：http://x86.renejeschke.de/
注意開頭多了一個(gè)0x66，解釋如下：

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

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所以我們需要在simple_os.asm文件的開頭添加.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：

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shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ objdump -d -Mintel,i8086 simple_os.osimple_os.o: file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <.text>:0: ba f8 03 mov dx,0x3f83: 00 d8 add al,bl5: 04 30 add al,0x307: ee out dx,al8: b0 0a mov al,0xaa: ee out dx,alb: f4 hlt

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https://sourceware.org/binutils/docs/as/i386_002d16bit.html

http://stackoverflow.com/questions/1737095/how-do-i-disassemble-raw-x86-code

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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。

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

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kvm = open("/dev/kvm", O_RDWR | O_CLOEXEC);
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：

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ret = ioctl(kvm, KVM_GET_API_VERSION, NULL);if (ret == -1)err(1, "KVM_GET_API_VERSION");if (ret != 12)errx(1, "KVM_GET_API_VERSION %d, expected 12", ret);

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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，用來檢查kvm是否支持硬件影子頁表(http://royluo.org/2016/03/13/kvm-mmu-virtualization/)：

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ret = ioctl(kvm, KVM_CHECK_EXTENSION, KVM_CAP_USER_MEMORY);if (ret == -1)err(1, "KVM_CHECK_EXTENSION");if (!ret)errx(1, "Required extension KVM_CAP_USER_MEM not available");

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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：

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vmfd = ioctl(kvm, KVM_CREATE_VM, (unsigned long)0);

虛擬機(jī)需要一些虛擬物理內(nèi)存，用來存放guest os。當(dāng)guest os進(jìn)行內(nèi)存訪問時(shí)，如果缺頁，kvm會(huì)根據(jù)KVM_SET_USER_MEMORY_REGION的設(shè)置，去嘗試解決缺頁的問題，如果kvm無法解決，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》)。

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

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mem = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0); memcpy(mem, code, sizeof(code));
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：

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struct kvm_userspace_memory_region region = {.slot = 0,.guest_phys_addr = 0x1000,.memory_size = 0x1000,.userspace_addr = (uint64_t)mem,};ioctl(vmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &region);
這樣，當(dāng)guest os訪問到虛擬物理內(nèi)存的0x1000~0x2000之間的話，kvm會(huì)直接訪問到mem所對(duì)應(yīng)的真實(shí)的物理內(nèi)存。

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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)：

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vcpufd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, (unsigned long)0);
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：

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mmap_size = ioctl(kvm, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, NULL); run = mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, vcpufd, 0);
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：

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ioctl(vcpufd, KVM_GET_SREGS, &sregs);sregs.cs.base = 0;sregs.cs.selector = 0;ioctl(vcpufd, KVM_SET_SREGS, &sregs);
struct kvm_regs regs = {.rip = 0x1000,.rax = 2,.rbx = 2,.rflags = 0x2,};ioctl(vcpufd, KVM_SET_REGS, &regs);

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好了，東西都準(zhǔn)備好了，我們可以開始運(yùn)行vCPU了：

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while (1) {ioctl(vcpufd, KVM_RUN, NULL);switch (run->exit_reason) {/* Handle exit */}}

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

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case KVM_EXIT_HLT:puts("KVM_EXIT_HLT");return 0;

初始化失敗：

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case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:errx(1, "KVM_EXIT_FAIL_ENTRY: hardware_entry_failure_reason = 0x%llx",(unsigned long long)run->fail_entry.hardware_entry_failure_reason); case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:errx(1, "KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR: suberror = 0x%x",run->internal.suberror);

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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：

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case KVM_EXIT_IO:if (run->io.direction == KVM_EXIT_IO_OUT &&run->io.size == 1 &&run->io.port == 0x3f8 &&run->io.count == 1)putchar(*(((char *)run) + run->io.data_offset));elseerrx(1, "unhandled KVM_EXIT_IO");break;

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測(cè)試結(jié)果：

tree@tree-OptiPlex-7010:~/Desktop$ gcc -o kvmtest kvmtest.c tree@tree-OptiPlex-7010:~/Desktop$ ./kvmtest 4 KVM_EXIT_HLT

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。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ubuntu12.04环境下使用kvm ioctl接口实现最简单的虚拟机的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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