新手必读：Linux虚拟化实现

文章开头必须介绍下这位github开源大佬，是腾讯的一位前辈，仓库地址：https://github.com/yifengyou,里面有他学习的各种资料，包含linux内核态、用户态、虚拟化、云原生、编程语言等分类，很震撼。大家可以看下贡献图，感受下压迫感，这位大佬大年三十都还在学习！

浅谈虚拟化

1. 全虚拟化：

全虚拟化利用虚拟机监视器（VMM）或者称为 hypervisor 的软件层来模拟底层硬件。Hypervisor 位于宿主硬件和虚拟机之间，负责协调虚拟机对硬件的访问请求。

• 硬件辅助的全虚拟化：现代 CPU 提供了虚拟化扩展（Intel VT-x 或 AMD-V），这些技术提供了执行控制功能，允许 hypervisor 有效地管理和隔离在虚拟环境中运行的指令，而不需要软件模拟。
• 二进制翻译：对于缺乏硬件辅助的系统，hypervisor 需要使用二进制翻译（binary translation）来处理宿主机CPU不直接支持的虚拟化指令。这种方法通过在运行时将虚拟化指令转换为宿主机指令来实现。

2. 半虚拟化：

半虚拟化需要客户操作系统知道它们在虚拟环境中运行，并且要进行相应的修改来与 hypervisor 交流。这意味着客户操作系统中的关键元素，如内存管理和 I/O 设备操作，需要针对虚拟化环境进行优化。

• 超调用（hypercalls）：在半虚拟化中，修改后的操作系统通过超调用接口与 hypervisor 通信。这类似于应用程序使用系统调用与操作系统通信。

3. 操作系统级虚拟化（容器化）：

容器化是一种轻量级的虚拟化形式，其中虚拟化发生在操作系统层面。容器内的应用程序使用宿主机的操作系统内核，但运行在隔离的用户空间内。

• Linux Containers (LXC)：LXC 是实现操作系统级虚拟化的一种技术，它利用了 Linux 内核的特性，如 cgroups 和 namespace，来实现资源管理和隔离。
  • Namespaces：这是 Linux 内核提供的一种功能，用于隔离和管理系统资源。Namespaces 将系统资源划分为不同的独立的区域（例如 PID（进程ID）namespaces、network namespaces、mount namespaces 等），每个容器都在自己的 namespace 中运行，不会看到或影响其他容器的资源。
  • Control Groups (cgroups)：cgroups 是 Linux 内核的另一个特性，它用于限制、记录和隔离进程组使用的物理资源（如 CPU、内存、磁盘 I/O、网络等）。通过 cgroups，系统管理员可以精确控制每个容器可以使用多少资源，保证资源分配的公平性和效率。
• Docker：Docker 使用 LXC 作为其最初的容器执行环境，后来发展出了自己的容器运行时，即 Docker Engine。Docker 容器通过 Dockerfile 配置，并可以通过 Docker Hub 分享。

KVM

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种虚拟化解决方案，可以在Linux系统上运行多个隔离的虚拟机。每个虚拟机都有私有的虚拟化硬件：CPU、内存、磁盘等，使得它们可以运行各自的操作系统。

KVM是一种基于硬件的虚拟化技术，它利用了现代处理器中的虚拟化扩展（如Intel的VT-x技术或者AMD的AMD-V技术），从而提供了高效的虚拟机性能。KVM本身是Linux内核的一部分，这意味着它能够利用Linux内核的所有功能和优化。

KVM是开源的，成为了许多虚拟化平台和云计算解决方案的基础，例如OpenStack和Proxmox VE。用户可以通过诸如libvirt这样的工具和API来管理KVM虚拟机，也可以使用图形界面前端如Virt-Manager来进行虚拟机的创建、监控和管理。

KVM与VMware以及OpenStack的主要区别在于它们的定位、使用的技术和功能。

KVM与VMware的区别：

1. 开源与专有：KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一个开源的虚拟化基础设施，可以集成到Linux内核中，而VMware提供的是专有的虚拟化解决方案，其主要产品例如VMware vSphere/ESXi是闭源的。
2. 成本：KVM作为开源软件，通常没有直接的费用，但可能需要投入时间进行配置和管理。VMware的产品通常需要购买许可证，尤其是对于企业级功能。
3. 管理工具：VMware提供了一整套成熟的管理工具，如vCenter，可以提供集中管理和丰富的功能。KVM通常需要依赖其他开源项目如libvirt进行管理，或者通过第三方工具如Virt-Manager、Proxmox VE等。
4. 性能和特性：VMware以其良好的性能和高级特性（如vMotion、Storage DRS等）而著称。KVM作为Linux的一部分，性能也非常优秀，但某些高级特性可能需要额外的工具和配置来实现。

KVM与OpenStack的区别：

1. 虚拟化层与云平台：KVM是虚拟化层，提供硬件的虚拟化能力；而OpenStack是一套开源的云计算管理平台，可以用来构建和管理公有云和私有云环境。
2. 作用范围：KVM关注于将物理服务器虚拟化为多个虚拟机。OpenStack则涵盖了更多的云服务组件，如计算（Nova）、存储（Cinder/Swift）和网络（Neutron）等多个模块，它可以使用KVM作为其底层计算节点的虚拟化技术。
3. 使用场景：KVM通常适用于需要虚拟化服务器的场景，而OpenStack适用于需要构建和管理整个云计算环境的场景。
4. 集成层次：OpenStack设计为可以与多种虚拟化技术整合，不仅限于KVM。它还可以与VMware、Xen和Hyper-V等虚拟化解决方案一起工作。

总的来说，KVM主要是虚拟化技术，VMware是提供更广泛虚拟化解决方案的商业公司，而OpenStack是以KVM为其中一个选项的云平台管理框架。