KVM 虚拟化技术
KVM（Kernel-based Virtual Machine）是基于X86硬件虚拟化扩展（Inter VT 或 AMD-V）的全虚拟化解决方案，它包含一个可加载的内核模块kvm.ko，提供核心的虚拟化基础架构，还有一个处理器特定模块kvm-intel.ko 或 kvm-amd.ko。
注意：
全虚拟化解决方案：虚拟机与底层硬件之间由一个虚拟化逻辑层Hypervisor 来完成模拟底层硬件，上层虚拟机完成感知不到运行在虚拟硬件上。
优点：虚拟机操作系统内核不需要进行特殊配置，部署便捷、灵活、兼容性好。
缺点：虚拟机操作系统的内核不能直接管理底层硬件，内核通过Hypervisor 管理底层硬件，有转换性能开销。
半虚拟化解决方案：虚拟机操作系统内核需要经过修改，与宿主机操作系统内核共享底层硬件实现。
优点：半虚拟化的虚拟机操作系统内核能够直接管理底层硬件，性能表现比全虚拟化技术更好。
缺点：虚拟机操作系统内核需要事先进行修改，部署的便捷性、灵活性和兼容性差。
KVM 允许在一台主机节点上运行多个未经改动的虚拟镜像，包括Windows 和 Linux 。每台虚拟机都有独立的虚拟硬件，包括网卡、磁盘等。
KVM 是一个开源项目，其核心组件包含在Linux 更新主线中，用户空间组件包含在QEMU 更新主线中。
KVM 是在CPU 硬件支持基础之上的虚拟化技术，同 Hyper-V、Xen 一样依赖此项技术。没有CPU 硬件虚拟化的支持，KVM是无法工作。
KVM 是Linux的一个模块，可以用modprode 加载KVM 模块。只有在加载模块后，才能进一步通过其他工具创建虚拟机。但仅有 KVM 模块是远远不够的，因为用户无法直接控制内核模块去做事情，必须有一个用户空间的工具（开源QEMU工具）。QEMU 是个虚拟化软件，其特点是可虚拟不同的硬件（例如：X86 的CPU上可虚拟一个安腾的CPU）。KVM使用了QEMU的一部分，并稍微加改造，就变更了可控制 KVM 的工具。
注意：官方提供的 KVM 下载有两大部分三个文件，分别是 KVM 模块、QEMU 工具 及二者的合集。可以只升级 KVM 模块，也可以只升级 QEMU 工具。
KVM 进程拥有三种运行模式：内核模式、用户模式、客户模式。在 KVM 模型中，每个虚拟主机都是由 Linux 调度程序管理的标准进程，该进程调用 KVM 用户模式，执行应用程序。对于应用程序而言，用户模式默认模式，当需要一些来自内核的服务时，便切换到内核模式，如在磁盘上写入数据时。客户模式进程运行在虚拟机内，拥有自己的内核用户空间变量，在客户模式下可以使用正常的kill、ps命令。
KVM 虚拟机表现为一个正常的进程，可以像其他进程一样被杀掉。KVM 利用硬件虚拟技术模拟处理器的形态，虚拟机的内存管理由内核直接处理。内核模式在需要的时候，向 QEMU 进程发送处理信号。
KVM 技术只管理CPU和内存的访问调用，QEMU 工具仿真硬件资源（如硬盘、网卡、声卡等）。
KVM 的 API 是通过 /dev/kvm 设备访问的，/dev/kvm 是一个标准的字符设备，可以使用常用的open、close、isctl 接口操作，所有对 KVM 的操作都是通过 ioctl 接口操作的。KVM 提供给上层的 API 功能可分为3种类型（system指令、VM指令、VCPU指令）。
system 指令：针对虚拟化系统的全局性参数进行设置和控制，包括全局性的参数设置和虚拟机创建等。
VM 指令：针对虚拟机进行控制，大部分需要针对从KVM_CREATE_VM中返回的文件描述符（fd）进行操作，包括配置内存、配置虚拟CPU、运行虚拟主机等。
VCPU指令：针对具体的虚拟CPU进行参数设置，包括寄存器读/写、中断设置、内存设置、时钟管理、调试开关等。KVM 虚拟机运行时也可以进行相关设置。
对于 KVM 的操作都是从打开 /dev/kvm 设备文件开始的，打开后，会获取相应的文件描述符（fd），然后通过 ioctl 系统指令对该 fd 进行进一步的操作（如通过 KVM_CREATE_VM 指令可以创建一个虚拟机并返回虚拟机对应的文件描述符，接着根据该描述符来进一步控制虚拟机的行为，如通过KVM_CREATE_VCPU 指令来为该虚拟机创建 VCPU。）
KVM/QEMU 内存管理：
KVM/QEMU 运行在 Linux 系统中的一个程序运行，所以它分配内存是调用 malloc() 和 mmap() 函数进行的。当一个虚拟机申请 1GB 的物理内存时，KVM/QEMU 会执行malloc(1<<30) 操作，从宿主机上分配 1GB 的虚拟地址空间。所以它只调用 malloc() 函数，并没有进行实际的物理内存分配，而是当虚拟机第一次启动需要访问内存时，才会给虚拟机分配真正的物理内存。虚拟机操作系统启动运行，它可以识别通过 malloc() 函数分配的物理内存，接下来操作系统Kernel 开始访问已识别的物理内存地址，这时KVM/QEMU 进程会访问已识别的第一个内存页。
KVM/QEMU 虚拟机的任何内存变动都会关联到底层宿主机的变化，宿主机会确认该虚拟机变化在其整个内存分页表中是否有效、可用，不允许其访问任何不属于它的内存页，此内存运行访问机制有两种（1、影子分页表技术；2、VMX/AMD-V扩展技术）
1、影子分页表技术：虚拟机所使用的内存分页表与实际的内存分页表是独立的，不是同一张分页表。当虚拟机修改自己的内存分页表时，宿主机会检测到有修改动作，然后进行确认。之后才会修改真正的分区表，使由虚拟机发起的修改操作生效。虚拟机不能直接访问真正的内存分页表，而是访问影子分页表。
2、VMX/AMD-V扩展技术：VMX/AMD-V 扩展技术允许底层宿主机始终监控，以此获得虚拟机修改真正内存分页表的信息。这种内存运行访问机制实际且有效，但是它对性能有一些影响，完成一次访问最高可能消耗25页内存，代价非常大。
关于内存申请和回收理论：
申请内存：
1）QEMU 调用malloc() 函数为虚拟机分配虚拟内存页，但此时并没有申请的真正物理内存。
2）虚拟机开始访问该虚拟内存页，并且认为该虚拟内存页是真正的物理内存页，但是由于该内存页没有被真正分配，所以开始向宿主机申请。
3）宿主机内核发现有一个内存页错误，便会在已经被分配的 malloc()'d 区域调用 do_page_fault() 函数。如果一切顺利，没有打断，则宿主机开始响应虚拟机的操作。
4）宿主机内核创建 pte_t ，便 malloc()'d 虚拟地址连接到真正的物理内存地址，生产 rmap ，并把它们放到 LRU 中。
5）此时，mmu_notifier_change_pte() 被调用，其允许 KVM 为该内存页创建 NPT/EPT。
6）宿主机从该错误的内存页中返回标识，虚拟机得到内存后执行操作恢复。
内存回收
1）宿主机内核利用 rmap 结构寻找到需要回收的内存页被映射到哪个 VMA（vm_area_struct）。
2）宿主机内核查找该 VMA 所关联的 mm_struct，并遍历宿主机的内存分页表，查找到该内存页在物理硬件上的位置。
3）宿主机内核替换出该内存页并清空 pte_t。
4）宿主机内核接着调用 mmu_notifier invalidate_page() 函数，在 NPT/EPT 中查找到该页并删除。
5）现在，该页已经被释放，任何需要该页的访问都向宿主机申请。
