[[217426]]

QEMU-KVM作為一個VMM提供了全虛擬化環境，guest不經過任何修改就能運行在KVM環境中。不過KVM在IO虛擬化方面，使用QEMU純軟件的方式來模擬IO設備，效率并不高。在KVM中，要想提高IO虛擬化的效率，就要使用半虛擬化的方式：virtio。

簡單介紹全虛擬化和半虛擬化

在全虛擬化 中，guest操作系統運行在VMM之上，并不知道它已被虛擬化，不需要任何更改就可以工作。相反，在半虛擬化中，guest操作系統不僅知道它運行在 VMM上，還需要做修改來對接VMM的代碼。

在全虛擬化中，VMM必須模擬設備硬件，盡管這種模擬很徹底很干凈，但它效率低代碼最復雜。在半虛擬化模式中，guest和 VMM共同合作，模擬更加高效。

IO全虛擬化使用QEMU軟件模擬

1.當虛擬機進行I/O操作時，根據《也談Intel的cpu虛擬化》我們知道，虛擬機通過VM exit將cpu控制權返回給VMM，從而陷入到root模式下的ring0內的VMM，進行”陷入模擬“。

2.將本次I/O請求的信息存放到IO共享頁，QEMU從IO共享頁讀取信息后由硬件模擬代碼來模擬出本次的IO操作，并調用內核中的硬件驅動把IO請求發送到物理硬件，完成之后將結果放回到IO共享頁。

3.KVM模塊中的捕獲代碼讀取IO共享頁中的結果，把結果返回到guest。

4.通過VM entry，guest再次獲得cpu控制權，根據IO返回的結果進行處理。

說明：VMM和guest的IO信息共享不光IO共享頁一種，還可以使用DMA。QEMU不把IO結果放到IO共享頁中，而是通過DMA將結果直接寫到guest的內存中去，然后通過KVM模塊告訴客戶機DMA操作已經完成。

下面這張圖（來自網絡）是軟件模擬IO的流程圖：

IO半虛擬化virtio

guest和host使用使用virtio前后端的技術減少了guest IO時的VM Exit（guest和host的上下文切換）并且使guest和host能并行處理IO來提高throughput和減少latency。但是IO的路徑并沒有比全虛擬化技術減少。下面是virtio的IO路徑：

guest在IO請求時，首先guest需要切換到host kernel，然后host kernel會切換到hyperisor來處理guest的請求，hypervisor通過系統調用將數據包發送到外部網絡后切換回host kernel，然后再切換回guest。這個長IO路徑和全虛擬化時相同的，只是減少了VM exit和VM entry。

vhost

為了解決virio的IO路徑太長的問題，vhost產生了。它是位于host kernel的一個模塊，用于和guest直接通信，所以數據交換就在guest和host kernel間進行，減少了上下文的切換。vhost相對與virto架構，把virtio驅動后端驅動從用戶態放到了內核態中（vhost的內核模塊充當virtiO后端驅動）

下面這張圖（來自redhat）描述了在virtio和vhost（vhost-net時vhost架構中的網卡實現）架構下內核的不同工作流程：

下面這張圖（來自intel）介紹了vhost工作原理：

vhost-user

vhost-user和vhost類似，只是使用一個用戶態進程vhost-user代替了內核中的vhost模塊。vhost-user進程和Guset之間時通過共享內存的方式進行數據操作。vhost-user相對與vhost架構，把virtio驅動后端驅動從內核態又放回到了用戶態中（vhost-user進程充當virtiO后端驅動）。

下面這張圖（來自intel）介紹了vhost-user的工作原理：

總結

io虛擬化經歷了從全虛擬化io到半虛擬化virtio。半虛擬化的后端驅動又經歷了從VMM中到內核中，從內核中到用戶空間中的過程。