處理器隔離中的KVM虛擬化技術(shù)應(yīng)用探討

李慧穎

摘要：在計算機(jī)硬件不斷發(fā)展的過程中，人們對于硬件資源需求的最大化使用也越來越迫切。KVM是一種具有Inter VT技術(shù)和QEMU技術(shù)的虛擬機(jī)，其能夠為設(shè)備提供虛擬化技術(shù)。該文的主要目的是對KVM虛擬機(jī)的創(chuàng)建和運(yùn)行進(jìn)行研究，從控制進(jìn)程方面對KVM虛擬化技術(shù)在處理器隔離中的使用進(jìn)行研究，從而實現(xiàn)處理器資源的最大化使用。

關(guān)鍵詞：處理器；隔離；KVM虛擬化技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0256-02

虛擬化指的是在物理機(jī)中同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)的技術(shù)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用到大型主機(jī)等平臺中。在社會經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，PC的價格在不斷下降，人們也逐漸忘記虛擬化的重要性。在進(jìn)入到當(dāng)代世紀(jì)中，數(shù)據(jù)中心技術(shù)在不斷發(fā)展，虛擬化也逐漸應(yīng)用到PC領(lǐng)域中，目前在PC平臺中廣泛使用虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為了一種趨勢。在大型主機(jī)中，虛擬化技術(shù)的主要目的為使多個操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同個主機(jī)資源的共享，提高資源的使用率。在此背景下，本文就探討處理器隔離中，KVM虛擬化技術(shù)的應(yīng)用。

1 KVM虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

KVM虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括兩部分內(nèi)容，第一部分為通過模塊形式集成的Driver，其主要目的就是實現(xiàn)虛擬硬化資源的管理，并且創(chuàng)建字符設(shè)備通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用戶空間設(shè)備的相互通信，還能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬機(jī)內(nèi)存分配及寄存器讀寫、CPU運(yùn)行等功能。其次就是KQEMU，也就是對于虛擬化的處理器進(jìn)行修改的QEMU，其主要目的就是實現(xiàn)硬件模擬[1]，圖1為KVM虛擬機(jī)的結(jié)構(gòu)。

首先實現(xiàn)虛擬機(jī)的初始化，之后KVM線程通過ioctl的方式對KVM內(nèi)核模式進(jìn)行VCPU指示，之后內(nèi)核模塊執(zhí)行虛擬機(jī)的進(jìn)入操作，使處理器的Kernel模式轉(zhuǎn)變?yōu)镚uest模式，之后實現(xiàn)客戶機(jī)的運(yùn)行。但是這個時候的虛擬機(jī)還是為KVM線程上下文中，并且執(zhí)行ioctl系統(tǒng)的調(diào)用模式處理程序。如果客戶機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異?；蛘咄獠恐袛嗟臅r候，或者執(zhí)行I/O操作的時候，就會使虛擬機(jī)出現(xiàn)退出操作，從而處理器的狀態(tài)也會轉(zhuǎn)變?yōu)镵ernrl模式。虛擬機(jī)在進(jìn)行內(nèi)核檢查過程中出現(xiàn)VM原因，如果是因為I/O操作影響，那么執(zhí)行系統(tǒng)就會實現(xiàn)返回操作的調(diào)用，將其操作交到User模式進(jìn)行處理，這個時候的KQEMU就會創(chuàng)建全新的線程實現(xiàn)I/O處理，之后實現(xiàn)ioctl的執(zhí)行，使KVM能夠?qū)⑻幚砥髑袚Q為Guest模式，并且客戶機(jī)也能夠恢復(fù)正常的運(yùn)行。如果VM 是因為其他因素導(dǎo)致，那么就要通過虛擬機(jī)內(nèi)核模塊進(jìn)行處理，并且在處理之后使處理器切換到Guest模式，從而使客戶機(jī)能夠恢復(fù)運(yùn)行。

通過以上分析表示，KVM虛擬機(jī)中的物理 CPU能夠?qū)崿F(xiàn)隔離，和線程、應(yīng)用程序及異步I/O事件具有密切的關(guān)系[2]。

2 處理器隔離中KVM 虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 設(shè)計隔離方案

KVM虛擬機(jī)運(yùn)行時候和處理器具有密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中保存，主要包括虛擬CPU中的寄存器內(nèi)容及控制信息，不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有相互對應(yīng)的虛擬CPU，但是因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有一定的遷移性，在使用過程中要和物理CPU相互綁定。比如，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和CPU1進(jìn)行綁定，并且在某一個時刻將這個綁定關(guān)系進(jìn)行解除，在另外一個時刻對CPU2進(jìn)行重新的綁定。在不同時刻中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和物理CPU的綁定關(guān)系是一對一的，也就是每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都只能夠綁定一個物理CPU。那么在多核條件中要想能夠在同個虛擬單核平臺中運(yùn)行，就要重新考慮KQEMS的線程、應(yīng)用程序、CPU及異步事件的處理關(guān)系。通過CPU的親和性及設(shè)置屬性，能夠?qū)uest進(jìn)程在指定核中進(jìn)行綁定，以此創(chuàng)建單核虛擬平臺。比如在創(chuàng)建虛擬機(jī)過程中將Guest進(jìn)程綁定到CPU核中，使其能夠在運(yùn)行過程中不出現(xiàn)遷移現(xiàn)象，圖2為客戶操作系統(tǒng)和CPU核綁定的情況。

分析KVM虛擬機(jī)的原理及機(jī)制，能夠通過以下方面進(jìn)行綁定操作：

其一，通過內(nèi)核函數(shù)直接對Guest進(jìn)程屬性進(jìn)行設(shè)置，以此實現(xiàn)Guest在指定核中的運(yùn)行。通過腳本文件的編寫，從而自動實現(xiàn)虛擬機(jī)的創(chuàng)建及綁定操作；

其二，對KQEMN源代碼進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而實現(xiàn)特定KVM虛擬機(jī)的生成。在客戶機(jī)進(jìn)行創(chuàng)建的過程中綁定，從而使客戶機(jī)只能夠運(yùn)行到制定的核中，不能夠進(jìn)行遷移。

通過以上方案能夠看出來，第一種方案是通過KQEMU應(yīng)用程序出發(fā)，要想實現(xiàn)此方案就要使用文件讀寫及綁定腳本，并且還要修改虛擬機(jī)管理器的腳本。第二種方案是通過Qemu源代碼進(jìn)行修改，在綁定的時間方面明顯比第一種方案要早，并且實現(xiàn)的過程也較為簡單。并且通過第一種方案可以看出來，其在理論中對異步IO時候產(chǎn)生的aio線程綁定過程中會出現(xiàn)一定的問題，所以就要選擇第二種方案[3]。

2.2 實現(xiàn)處理器隔離

Liunx線程是在核內(nèi)通過輕進(jìn)程形式存在，其是在核外實現(xiàn)。其還具有獨(dú)立進(jìn)程表項，但是其的創(chuàng)建和刪除等其他操作也是在核外中實現(xiàn)。和fork（）調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程的方式并不相同，pthread創(chuàng)建線程沒有和主線程相同的執(zhí)行序列，而是使其中的函數(shù)能夠運(yùn)行。所以使用fork 創(chuàng)建父子進(jìn)程具有一定的繼承性，實現(xiàn)pthread創(chuàng)建父子進(jìn)程并沒有繼承性。所以只是通過KQEMU中的屬性并不能夠?qū)崿F(xiàn)KVM虛擬機(jī)處理器隔離，要想實現(xiàn)處理器隔離，要分為兩個步驟。首先，通過QEMU命令中獲得cpuid參數(shù)，這就要求能夠修改KQEMU源代碼，增加-cpuid命令選項，實現(xiàn)參數(shù)解析和相應(yīng)的綁定操作。其次，根據(jù)得到的參數(shù)實現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程、線程及異步I/O事件處理線程的綁定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)處理器隔離。圖3為KVM虛擬機(jī)進(jìn)程綁定實現(xiàn)的過程。

3 實驗的結(jié)果

通過以上的實現(xiàn)設(shè)計思路可以看出來，對于第二種方案的實現(xiàn)要通過創(chuàng)建客戶機(jī)和運(yùn)行進(jìn)行驗證，并且還要實現(xiàn)客戶機(jī)的異步I/O 事件處理。本文在實驗過程中使用的測試平臺為處理器內(nèi)存DDR-800，在計算一次之后進(jìn)行15毫秒的休眠。通過長時間的實驗觀察表示，雖然在Guest運(yùn)行過程中的CPU核2的使用率為94.7%，KVM虛擬機(jī)還會在制定核中運(yùn)行，在核1空閑的情況下也不會出現(xiàn)遷移。能夠通過taskset命令對進(jìn)程值進(jìn)行查詢，從而對其進(jìn)行進(jìn)一步的有效驗證。通過驗證表示，進(jìn)程的值為1，那么就說明進(jìn)程和線程在核2中運(yùn)行[4]。

4 結(jié)束語

本文實現(xiàn)綁定KVM虛擬機(jī)，從而能夠進(jìn)行KVM虛擬機(jī)處理器的隔離，從而使KVM虛擬機(jī)能夠在指定物理CPU核中進(jìn)行運(yùn)行，不會出現(xiàn)核轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，以此能夠?qū)崿F(xiàn)CPU資源使用的最大化目的。在Guest多個共同運(yùn)行過程中，只要在運(yùn)行過程中對CPU參數(shù)的數(shù)量進(jìn)行制定，那么就能夠使不同Guest在指定核中進(jìn)行運(yùn)行，以此有效實現(xiàn)計算機(jī)硬件資源的充分使用。

參考文獻(xiàn)：

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