QEMU/KVM

主要作者

@RTXUX

本文编写中

QEMU/KVM 是 Linux 服务器上常用的虚拟化方案。其分为运行在用户空间的 QEMU 和运行在内核空间的 KVM 两部分。QEMU 负责模拟硬件，KVM 则负责虚拟机的运行。

本部分将对 QEMU 和 KVM 基础知识和基本操作进行介绍。

组件介绍

QEMU

QEMU（Quick Emulator）是一个开源的虚拟化软件，它通过动态二进制翻译来模拟 CPU，并提供一系列的硬件模型，可以模拟多种外设硬件。QEMU 可以在没有硬件加速的情况下独立运行，但这样其中的 CPU 部分是模拟指令的执行，性能低下。

QEMU TCG

QEMU 内部使用 TCG（Tiny Code Generator）作为其模拟器，TCG 会将原始指令转换为 TCG 内部的 op，经过简单的优化后转换为主机指令并执行。TCG 不是专门为性能优化的，因此使用 TCG 运行程序或操作系统会有较大的性能损失。

对于跨架构系统级模拟（例如 x86 下运行 aarch64 的操作系统），目前 QEMU 基本上是唯一的通用方案。而如果需求只是运行用户态程序（例如在其他指令集下运行 x86 的游戏），那么目前有一些更快的方案：

• Box86 和 Box64：在 ARM 上运行 x86（和 AMD64）的应用程序。
• FEX：同样也是在 ARM 上运行 x86 的程序。

此外 QEMU 也可以仅用于 CPU 指令和系统调用的翻译，不模拟硬件模型，这种模式称为 User Mode。主要用于运行不同于宿主系统 CPU 指令集的用户态二进制程序。

binfmt_misc

binfmt_misc 是内核提供的运行非原生程序的方案——程序使用 binfmt_misc 注册自己能够处理的程序特征（例如开头是 MZ 的话，那么就是 Windows PE 程序），内核在遇到自己无法运行的程序的时候，就会查询 binfmt_misc。该功能对应的挂载点是 /proc/sys/fs/binfmt_misc/。

安装 qemu-user-binfmt 即可在 binfmt_misc 注册所有 QEMU 用户模式支持的架构。systemd-binfmt.service 会在启动时检查 binfmt.d.5 中的目录，并进行信息注册。

KVM

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种基于 Linux 内核的开源虚拟化解决方案。KVM 将 Linux 转变成一个虚拟机监视器（Hypervisor）。它利用了现代处理器中的硬件虚拟化支持（例如 Intel VT-x 或 AMD-V），以实现高性能的虚拟化。它专注于以最小的开销在 Linux 上提供安全和隔离的虚拟环境，同时维持接近原生的性能。它向用户空间提供了虚拟 CPU 和内存子系统的配置和执行控制相关接口，但 KVM 不包含硬件模型，不能独立构成虚拟机。

QEMU/KVM

QEMU 与 KVM 的关系是互补的。当二者结合使用时，QEMU 负责提供软件模拟和用户界面，而 KVM 则在内核级别提供硬件加速支持。这种配合使得虚拟机能够以较低的性能开销运行，同时用户还可以享受到 QEMU 在设备模拟方面提供的灵活性。实际上，QEMU 通常作为用户空间的工具与 KVM 的内核虚拟化功能配合，一起形成了现代 Linux 环境中强大的虚拟化解决方案。

安装配置

现在大多数发行版提供的内核都包含 KVM 相关模块，也提供了 QEMU 的二进制包。因此在大多数情况下，KVM 无需进行任何配置，只需要安装 QEMU 的二进制包即可。

如果需要手动进行配置，以下内容可以作为参考。

KVM

以 x86 为例。

1. 确保内核配置中包含了 KVM 相关模块。需要的配置项包括：
   • CONFIG_KVM
   • CONFIG_KVM_INTEL 或 CONFIG_KVM_AMD
   • EPT 支持等模块
2. 加载 KVM 模块：modprobe kvm_intel 或 modprobe kvm_amd。
3. 正确配置 /dev/kvm 字符设备的权限，使需要运行虚拟机的用户可以访问该设备。

QEMU

只需安装 QEMU 的二进制包。

如果发行版不提供相关包，也可以从 QEMU 官网 下载源码编译安装。

第一台虚拟机

以下实例命令用于启动一个使用 KVM，带有双核 CPU、1GB 内存，使用一个名为 example.img 的磁盘镜像文件，挂载了 livecd.iso 作为光盘文件，和用户态网络的虚拟机。

qemu-system-x86_64 \
    -enable-kvm \
    -m 1024 \
    -cpu host \
    -smp cores=2 \
    -drive file=example.img,format=raw,if=virtio \
    -cdrom ./livecd.iso \
    -nic user,model=virtio

这个命令的各个参数意义如下：

• qemu-system-x86_64: QEMU 的二进制文件名，这里表示运行 x86_64 架构的系统级模拟器。
• -enable-kvm: 启用 KVM。
• -m 1024: 分配 1024MB 内存。
• -cpu host: 使用宿主机 CPU 模型。
• -smp cores=2: 使用 2 个 CPU 核心。
• -drive file=example.img,format=raw,if=virtio: 使用 example.img 作为磁盘镜像，格式为 raw，使用 virtio 设备模型。
  • 可以使用 truncate -s 2G example.img 或 fallocate -l 2G example.img 创建文件。
• -cdrom ./livecd.iso: 添加光盘设备，光盘内容为 ./livecd.iso。
• -nic user,model=virtio: 使用用户态网络设备，使用 virtio 设备模型。

这只是创建虚拟机的一个基本示例，QEMU 提供了很多其他选项，可以让你定制网络、图形输出、设备等。

详细配置

块存储

存储格式

QEMU 支持多种存储格式，每种格式都有其特定的优点和用途。以下是一些最常见的 QEMU 磁盘镜像格式：

1. raw: 这是最简单的磁盘镜像格式。它是未经过任何处理的磁盘镜像，没有任何元数据或附加特性。因为其简单性，它通常有最好的性能，并且可以直接被许多其他工具读取，比如 dd。如果主机文件系统支持稀疏文件，那么 raw 格式的磁盘镜像文件可以非常小，因为它只会在需要时才增长到所需大小。如果主机文件系统支持 hole-punching 操作，那么 raw 格式的磁盘镜像文件可以直接释放未使用的空间。
2. qcow2 (QEMU Copy-On-Write version 2): 这是 QEMU 最常用的磁盘镜像格式。它支持许多高级特性，如写时复制 (copy-on-write)，快照，压缩，加密和增量备份。

此外 QEMU 还支持许多其他磁盘格式，如 vmdk, vdi, vhdx 等。由于这些格式不是很常见，这里不再详细介绍。

配置参数

QEMU 中存储分为存储后端和存储设备两个部分，分别使用 -blockdev 和 -device 参数进行配置。

-blockdev 参数用于配置存储后端，常用的配置语法如下：

-blockdev driver=<file|raw|qcow2>,node-name=<name>,file=<path>,<other opts>

其中 raw 和 qcow2 driver 通常层叠在 file 后端上使用。node-name 参数用于指定该后端的名称，以便于后面引用。

-device 参数用于配置设备，常用的配置语法如下：

-device virtio-blk-pci,drive=<blockdev node name>,<other opts>

其中 virtio-blk-pci 是设备模型，drive 参数用于指定该设备的后端。除了 virtio-blk-pci，QEMU 还支持其他设备模型，如 ide，scsi 等。

此外，QEMU 还支持 -drive 参数用于同时配置存储后端和设备，其实例如下：

-drive file=example.img,format=raw,if=virtio

这种方式更加简洁，但不如 -blockdev 和 -device 参数灵活。当 if 选项值为 none 时，-drive 选项仅创建后端，不创建设备。

网络

QEMU 支持多种网络后端，包括 user，tap，bridge 等。其中 user 是最简单的网络后端，它使用宿主机的 NAT 网络进行网络连接。tap 则是最常用的网络后端，它使用主机上的 TAP 设备进行网络连接。bridge 与 tap 没有本质区别，它只是自动将创建的 tap 接口接到网桥上。

-nic 参数同时配置网络后端和设备，常用的配置语法如下：

-nic [tap|bridge|user|l2tpv3|vde|netmap|af-xdp|vhost-user|socket][,...][,mac=macaddr][,model=mn]

QEMU 支持多种网络设备模型，包括 virtio，e1000，rtl8139 等。其中 virtio 是性能最好的设备模型，且现在几乎所有 Linux 发行版均包含了对应驱动，因此大多数情况下直接使用该模型即可。

内存

本节内容待补充

CPU

本节内容待补充

实用工具

qemu-img

qemu-img 是 QEMU 提供的一个用于创建、转换和操作磁盘镜像的工具。它支持多种磁盘格式，可以方便地进行磁盘镜像的创建、转换、扩容等操作。

qemu-img 的详细用法和选项可以通过 man qemu-img 或 qemu-img --help 查看。

创建

qemu-img create 命令用于创建磁盘镜像，基本用法如下：

qemu-img create -f <FORMAT:raw|qcow2|...> -o <OPTIONS> <IMAGE> <SIZE>

其中 -f 选项用于指定磁盘镜像格式，-o 选项用于指定格式相关的选项，<IMAGE> 为磁盘镜像文件名，<SIZE> 为磁盘镜像大小。

Tip

创建 qcow2 格式的磁盘镜像时，可以使用 -o preallocation=metadata 选项指定预分配元数据，以提高性能。

转换

qemu-img convert 命令用于转换磁盘镜像格式，基本用法如下：

qemu-img convert -f <SRC_FORMAT:raw|qcow2|...> -O <DST_FORMAT:raw|qcow2|...> -o <OPTIONS> <SRC_IMAGE> <DST_IMAGE>

其中 -f 选项用于指定源磁盘镜像格式，-O 选项用于指定目标磁盘镜像格式，-o 选项用于指定格式相关的选项，<SRC_IMAGE> 为源磁盘镜像文件名，<DST_IMAGE> 为目标磁盘镜像文件名。

扩缩容

qemu-img resize 命令用于扩缩容磁盘镜像，基本用法如下：

qemu-img resize -f <FORMAT> [--shrink] <IMAGE> [+|-]<SIZE>

其中 -f 选项用于指定磁盘镜像格式，--shrink 选项用于指定是否收缩磁盘镜像，<IMAGE> 为磁盘镜像文件名，<SIZE> 为磁盘镜像大小。

需要注意的是，缩小镜像时，超过指定大小的数据将被截断丢弃，因此需要在镜像内部先进行文件系统容量调整和分区表调整操作，并需要小心计算各分区偏移量和目标镜像大小。

Tip

缩容时，可以先将内部文件系统调整至最小大小，然后调整分区大小至目标大小，接着调整镜像大小，最后再将文件系统扩容至最大。在此过程中也需要小心计算涉及到的各种大小和偏移量。

qemu-nbd

qemu-nbd 是 QEMU 提供的一个用于挂载磁盘镜像的工具。它可以将磁盘镜像文件映射为一个块设备，然后可以使用 mount 命令将其挂载到文件系统中，或者对该块设备进行其他操作。

使用前需要先加载 nbd 内核模块：

modprobe nbd

坑

nbd 默认创建很多 nbd 设备，占据大量设备号，如果主机上本来就已经有很多设备，在加载 nbd 模块的过程中可能因设备号分配失败而出错，在内核日志中留下一个 oops。这种情况下可以通过 nbds_max 参数限制 nbd 设备的数量。

modprobe nbd nbds_max=2

然后可以使用 qemu-nbd 命令挂载磁盘镜像，常用命令如下：

qemu-nbd -c /dev/nbdX -f <FORMAT:raw|qcow2|...> --discard=<unmap|ignore> <IMAGE>

其中 -c 选项用于指定 nbd 设备号，-f 选项用于指定磁盘镜像格式，--discard 选项用于指定磁盘镜像支持的 TRIM/DISCARD 操作，<IMAGE> 为磁盘镜像文件。如果需要只读挂载，可以指定 -r 选项。qemu-nbd 的其他用法和选项可以通过 man qemu-nbd 或 qemu-nbd --help 查看。

管理工具

本节内容待补充

QEMU 直接运行参数众多，配置复杂，因此一般不直接运行 QEMU 命令，而是使用一些管理工具来创建和管理虚拟机，如 libvirt，virt-manager, Proxmox VE 等。