QEMU虚拟机相关概念介绍
QEMU虚拟机相关概念介绍
本文围绕QEMU，介绍虚拟机相关进阶知识。为更好地理解本文，读者最好能够了解虚拟机的基本概念。
虚拟机层次结构示意图
图1.1 虚拟机层次结构
Hypervisor
Hypervisor介于虚拟机和宿主机操作系统之间，负责对宿主机资源（为方便表述，本文均以硬件资源为例，但实际上被虚拟化的不只有硬件资源）进行虚拟化，并将虚拟化后的硬件资源提供给虚拟机。Hypervisor分为两类：
- Type-1 Hypervisor：位于操作系统内核空间，具备对宿主机硬件资源的直接访问权限。代表：Microsoft Hyper-V、Linux KVM、VMWare ESXi。
- Type-2 Hypervisor：位于用户空间，需要通过操作系统内核才能访问硬件。代表：QEMU、Oracle VirtualBox。
注意：
- QEMU是Hypervisor，而不是Guest。
- 一个Hypervisor之上可以运行多个Guest。
- 在Linux中，如果采用KVM作为Hypervisor，那么每个Guest本质上就是Linux用户空间的一个进程。
QEMU的工作模式
图3.1 QEMU的层次与工作模式
如上图所示，QEMU有两种工作模式：
- QEMU本身作为Hypervisor。QEMU与Linux内核交互，从而获取虚拟化后的硬件。这就是前文所述的Type-2 Hypervisor。
- 交互层次：VM - QEMU - Linux Kernel - Driver - Hardware
- QEMU作为虚拟机与Linux KVM交互的中间层，仅负责传递交互信息，而不发挥Hypervisor的实际功能。真正发挥Hypervisor功能的是Linux KVM。
- 交互层次：VM - QEMU - Linux KVM - KVM Virtual Driver - Hardware
第二种工作模式能够直接利用KVM，因而效率更高。而第一种工作模式多用于不需要和硬件直接交互的场合，例如在虚拟机中启动虚拟机。
libvirtd、libvirt、virt-manager的概念及与QEMU的关系
libvirtd是Linux中的一个守护进程，其使用的是libvirt库。
libvirt与QEMU的关系，类似于Kubernetes与Docker的关系：QEMU负责实际管理一台宿主机上的所有虚拟机；而libvirtd适用于一台宿主机上启用多台虚拟机的场景，它提供了一系列在虚拟机之间进行资源调度的接口，这些接口底层仍然是以QEMU命令来实现的。
virt-manager是libvirt的图形化界面。在virt-manager上的所有操作，都会被映射为libvirt命令；libvirt命令又会被映射为QEMU命令；如果QEMU处于第3节所述的第二种工作模式，那么QEMU命令又会再次被映射为KVM命令。
从图1.1虚拟机分层的视角来看，virt-manager、libvirt、QEMU与KVM都属于Hypervisor层次。结合图3.1可知，前三者都处于用户空间，只有KVM处于内核空间。
磁盘镜像
虚拟机所有计算资源（包括CPU和内存）都是由Hypervisor提供的。但是，Hypervisor无法直接提供虚拟机的存储资源。最常见的提供虚拟机存储资源的方式，是磁盘镜像。
磁盘镜像是一系列可以模拟各种存储设备的文件的总称。最常见的磁盘镜像文件就是.iso文件，它模拟的是一个光驱。当然，不同的磁盘镜像文件还可以模拟硬盘、软盘、磁带、USB设备等各种常见设备类型的驱动。
磁盘镜像本质上是一种虚拟设备，因此它需要专门的驱动程序来解析（换言之，不能直接使用真实存储设备的驱动，来解析磁盘镜像）。在Linux中，回环设备（loop device）能够解析磁盘镜像。Linux对磁盘镜像解析成功后，将会挂载一个虚拟块设备，在这个虚拟块设备上进行的所有操作，与真实设备上完全相同。
磁盘镜像可直接被KVM解析，从而作为虚拟机的磁盘设备。因此，如果是以KVM作为Hypervisor，那么解析磁盘镜像时，并不要求虚拟机中存在回环设备，因为KVM能够直接解析磁盘镜像。
QEMU中常用的磁盘镜像格式是raw和qcow2。