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1. 什么是 vhost-user

在 vhost 的方案中，由于 vhost 实现在内核中，guest 与 vhost 的通信，相较于原生的 virtio 方式性能上有了一定程度的提升，从 guest 到 kvm.ko 的交互只有一次用户态的切换以及数据拷贝。这个方案对于不同 host 之间的通信，或者 guest 到 host nic 之间的通信是比较好的，但是对于某些用户态进程间的通信，比如数据面的通信方案，openvswitch 和与之类似的 SDN 的解决方案，guest 需要和 host 用户态的 vswitch 进行数据交换，如果采用 vhost 的方案，guest 和 host 之间又存在多次的上下文切换和数据拷贝，为了避免这种情况，业界就想出将 vhost 从内核态移到用户态。这就是 vhost-user 的实现。

2 vhost-user 的实现

vhost-user 和 vhost 的实现原理是一样，都是采用 vring 完成共享内存，eventfd 机制完成事件通知。不同在于 vhost 实现在内核中，而 vhost-user 实现在用户空间中，用于用户空间中两个进程之间的通信，其采用共享内存的通信方式。

vhost-user 基于 C/S 的模式，采用 UNIX 域套接字（UNIX domain socket）来完成进程间的事件通知和数据交互，相比 vhost 中采用 ioctl 的方式，vhost-user 采用 socket 的方式大大简化了操作。

vhost-user 基于 vring 这套通用的共享内存通信方案，只要 client 和 server 按照 vring 提供的接口实现所需功能即可，常见的实现方案是 client 实现在 guest OS 中，一般是集成在 virtio 驱动上，server 端实现在 qemu 中，也可以实现在各种数据面中，如 OVS，Snabbswitch 等虚拟交换机。

如果使用 qemu 作为 vhost-user 的 server 端实现，在启动 qemu 时，我们需要指定 -mem-path 和 -netdev 参数，如：

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$ qemu -m 1024 -mem-path /hugetlbfs,prealloc=on,share=on \
-netdev type=vhost-user,id=net0,file=/path/to/socket \
-device virtio-net-pci,netdev=net0

指定 -mem-path 意味着 qemu 会在 guest OS 的内存中创建一个文件，share=on 选项允许其他进程访问这个文件，也就意味着能访问 guest OS 内存，达到共享内存的目的。

-netdev type=vhost-user 指定通信方案，file=/path/to/socket 指定 socket 文件。

当 qemu 启动之后，首先会进行 vring 的初始化，并通过 socket 建立 C/S 的共享内存区域和事件机制，然后 client 通过 eventfd 将 virtio kick 事件通知到 server 端，server 端同样通过 eventfd 进行响应，完成整个数据交互。

3 几个例子

开源社区中实现了一个项目 Vapp，主要是用来测试 vhost-user 的 C/S 模式的，github 地址如下：
https://github.com/virtualopensystems/vapp.git

使用：

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$ git clone https://github.com/virtualopensystems/vapp.git
$ cd vapp
$ make
// 运行 server 端
$ ./vhost -s ./vhost.sock
// 运行 client 端
$ ./vhost -q ./vhost.sock

通过以上步骤，就可以启动 vhost-user 的 C/S 模式。

另外还有例子就是集成在虚拟交换机 Snabbswitch 上的 vhost-user，通过以下方式获得 vhost-user 分支：

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$ git clone -b vhostuser --recursive https://github.com/SnabbCo/snabbswitch.git
$ cd snabbswitch
$ make
测试：
$ sudo src/snabbswitch -t apps.vhost.vhost_user

还有例子就是 qemu 上的实现，这也是最原早的实现，同样通过以下方式来获得使用：

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$ git clone -b vhost-user-v5 https://github.com/virtualopensystems/qemu.git
$ mkdir qemu/obj
$ cd qemu/obj/
$ ../configure --target-list=x86_64-softmmu
$ make -j

除此之外，还有很多的实现，如 OVS 和 DPDK 上都有实现，这实际上是集成了 vhost-user 的通用 API。

4 总结

virtio，vhost，vhost-user 是基于场景和性能而提出的三种 guest 和 host 之间的通信方案，三种方案，各有优劣。
vhost-user 用在很多数据面之上的进程间通信，效率高。

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1. 什么是 vhost

vhost 是 virtio 的一种后端实现方案，在 virtio 简介中，我们已经提到 virtio 是一种半虚拟化的实现方案，需要虚拟机端和主机端都提供驱动才能完成通信，通常，virtio 主机端的驱动是实现在用户空间的 qemu 中，而 vhost 是实现在内核中，是内核的一个模块 vhost-net.ko。为什么要实现在内核中，有什么好处呢，请接着往下看。

2. 为什么要用 vhost

在 virtio 的机制中，guest 与 用户空间的 Hypervisor 通信，会造成多次的数据拷贝和 CPU 特权级的上下文切换。例如 guest 发包给外部网络，首先，guest 需要切换到 host kernel，然后 host kernel 会切换到 qemu 来处理 guest 的请求， Hypervisor 通过系统调用将数据包发送到外部网络后，会切换回 host kernel ， 最后再切换回 guest。这样漫长的路径无疑会带来性能上的损失。

vhost 正是在这样的背景下提出的一种改善方案，它是位于 host kernel 的一个模块，用于和 guest 直接通信，数据交换直接在 guest 和 host kernel 之间通过 virtqueue 来进行，qemu 不参与通信，但也没有完全退出舞台，它还要负责一些控制层面的事情，比如和 KVM 之间的控制指令的下发等。

3. vhost 的数据流程

下图左半部分是 vhost 负责将数据发往外部网络的过程， 右半部分是 vhost 大概的数据交互流程图。其中，qemu 还是需要负责 virtio 设备的适配模拟，负责用户空间某些管理控制事件的处理，而 vhost 实现较为纯净，以一个独立的模块完成 guest 和 host kernel 的数据交换过程。

vhost 与 virtio 前端的通信主要采用一种事件驱动 eventfd 的机制来实现，guest 通知 vhost 的事件要借助 kvm.ko 模块来完成，vhost 初始化期间，会启动一个工作线程 work 来监听 eventfd，一旦 guest 发出对 vhost 的 kick event，kvm.ko 触发 ioeventfd 通知到 vhost，vhost 通过 virtqueue 的 avail ring 获取数据，并设置 used ring。同样，从 vhost 工作线程向 guest 通信时，也采用同样的机制，只不过这种情况发的是一个回调的 call envent，kvm.ko 触发 irqfd 通知 guest。

4. 总结

vhost 与 kvm 的事件通信通过 eventfd 机制来实现，主要包括两个方向的 event，一个是 guest 到 vhost 方向的 kick event，通过 ioeventfd 实现；另一个是 vhost 到 guest 方向的 call event，通过 irqfd 实现。

代码分析整个通信的流程：
http://royluo.org/2014/08/22/vhost/

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虚拟内存

我们知道，早期的计算机内存，只有物理内存，而且空间是极其有限的，每个应用或进程在使用内存时都得小心翼翼，不能覆盖别的进程的内存区。

为了避免这些问题，就提出了虚拟内存的概念，其抽象了物理内存，相当于对物理内存进行了虚拟化，保证每个进程都被赋予一块连续的，超大的（根据系统结构来定，32 位系统寻址空间为 2^32，64 位系统为 2^64）虚拟内存空间，进程可以毫无顾忌地使用内存，不用担心申请内存会和别的进程冲突，因为底层有机制帮忙处理这种冲突，能够将虚拟地址根据一个页表映射成相应的物理地址。

这种机制正是虚拟化软件做的事，也就是 MMU 内存管理单元。

本文要说的不是这种虚拟内存，而是基于虚拟机的内存虚拟化，它们本质上是一样的，通过对虚拟内存的理解，再去理解内存虚拟化就比较容易了。

结合前面的文章，我们知道，虚拟化分为软件虚拟化和硬件虚拟化，而且遵循 intercept 和 virtualize 的规律。

内存虚拟化也分为基于软件的内存虚拟化和硬件辅助的内存虚拟化，其中，常用的基于软件的内存虚拟化技术为「影子页表」技术，硬件辅助内存虚拟化技术为 Intel 的 EPT（Extend Page Table，扩展页表）技术。

为了讲清楚这两门技术，我们从简易到复杂，循序渐进，逐步揭开其神秘面纱。

常规软件内存虚拟化

虚拟机本质上是 Host 机上的一个进程，按理说应该可以使用 Host 机的虚拟地址空间，但由于在虚拟化模式下，虚拟机处于非 Root 模式，无法直接访问 Root 模式下的 Host 机上的内存。

这个时候就需要 VMM 的介入，VMM 需要 intercept （截获）虚拟机的内存访问指令，然后 virtualize（模拟）Host 上的内存，相当于 VMM 在虚拟机的虚拟地址空间和 Host 机的虚拟地址空间中间增加了一层，即虚拟机的物理地址空间，也可以看作是 Qemu 的虚拟地址空间（稍微有点绕，但记住一点，虚拟机是由 Qemu 模拟生成的就比较清楚了）。

所以，内存软件虚拟化的目标就是要将虚拟机的虚拟地址（Guest Virtual Address, GVA）转化为 Host 的物理地址（Host Physical Address, HPA），中间要经过虚拟机的物理地址（Guest Physical Address, GPA）和 Host 虚拟地址（Host Virtual Address）的转化，即：

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GVA -> GPA -> HVA -> HPA

其中前两步由虚拟机的系统页表完成，中间两步由 VMM 定义的映射表（由数据结构 kvm_memory_slot 记录）完成，它可以将连续的虚拟机物理地址映射成非连续的 Host 机虚拟地址，后面两步则由 Host 机的系统页表完成。如下图所示。

这样做得目的有两个：

1. 提供给虚拟机一个从零开始的连续的物理内存空间。

2. 在各虚拟机之间有效隔离、调度以及共享内存资源。

影子页表技术

接上图，我们可以看到，传统的内存虚拟化方式，虚拟机的每次内存访问都需要 VMM 介入，并由软件进行多次地址转换，其效率是非常低的。因此才有了影子页表技术和 EPT 技术。

影子页表简化了地址转换的过程，实现了 Guest 虚拟地址空间到 Host 物理地址空间的直接映射。

要实现这样的映射，必须为 Guest 的系统页表设计一套对应的影子页表，然后将影子页表装入 Host 的 MMU 中，这样当 Guest 访问 Host 内存时，就可以根据 MMU 中的影子页表映射关系，完成 GVA 到 HPA 的直接映射。而维护这套影子页表的工作则由 VMM 来完成。

由于 Guest 中的每个进程都有自己的虚拟地址空间，这就意味着 VMM 要为 Guest 中的每个进程页表都维护一套对应的影子页表，当 Guest 进程访问内存时，才将该进程的影子页表装入 Host 的 MMU 中，完成地址转换。

我们也看到，这种方式虽然减少了地址转换的次数，但本质上还是纯软件实现的，效率还是不高，而且 VMM 承担了太多影子页表的维护工作，设计不好。

为了改善这个问题，就提出了基于硬件的内存虚拟化方式，将这些繁琐的工作都交给硬件来完成，从而大大提高了效率。

EPT 技术

这方面 Intel 和 AMD 走在了最前面，Intel 的 EPT 和 AMD 的 NPT 是硬件辅助内存虚拟化的代表，两者在原理上类似，本文重点介绍一下 EPT 技术。

如下图是 EPT 的基本原理图示，EPT 在原有 CR3 页表地址映射的基础上，引入了 EPT 页表来实现另一层映射，这样，GVA->GPA->HPA 的两次地址转换都由硬件来完成。

这里举一个小例子来说明整个地址转换的过程。假设现在 Guest 中某个进程需要访问内存，CPU 首先会访问 Guest 中的 CR3 页表来完成 GVA 到 GPA 的转换，如果 GPA 不为空，则 CPU 接着通过 EPT 页表来实现 GPA 到 HPA 的转换（实际上，CPU 会首先查看硬件 EPT TLB 或者缓存，如果没有对应的转换，才会进一步查看 EPT 页表），如果 HPA 为空呢，则 CPU 会抛出 EPT Violation 异常由 VMM 来处理。

如果 GPA 地址为空，即缺页，则 CPU 产生缺页异常，注意，这里，如果是软件实现的方式，则会产生 VM-exit，但是硬件实现方式，并不会发生 VM-exit，而是按照一般的缺页中断处理，这种情况下，也就是交给 Guest 内核的中断处理程序处理。

在中断处理程序中会产生 EXIT_REASON_EPT_VIOLATION，Guest 退出，VMM 截获到该异常后，分配物理地址并建立 GVA 到 HPA 的映射，并保存到 EPT 中，这样在下次访问的时候就可以完成从 GVA 到 HPA 的转换了。

总结

内存虚拟化经历从虚拟内存，到传统软件辅助虚拟化，影子页表，再到硬件辅助虚拟化，EPT 技术的进化，效率越来越高。

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前面「虚拟化技术总览」中从虚拟平台 VMM 的角度，将虚拟化分为 Hypervisor 模型和宿主模型，如果根据虚拟的对象（资源类型）来划分，虚拟化又可以分为计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化，再细一些，又有中断虚拟化，内存虚拟化，字符/块设备虚拟化，网络功能虚拟化等。

我会将此作为一个系列来写，本文先看 CPU 虚拟化。在这之前，我们先来笼统看下虚拟化的本质是什么，它到底是如何做到将 Host 的硬件资源虚拟化给 Guest 用，我这里用两个词来定义，intercept 和 virtualize，中文翻译成截获和模拟比较恰当一点，这两个词基本上是虚拟化的终极定义了，带着这两个词去看每一种虚拟化类型，会发现很容易理解和记忆。

CPU 软件虚拟化

基于软件的 CPU 虚拟化，故名思议，就是通过软件的形式来模拟每一条指令。通过前面的文章我们知道常用的软件虚拟化技术有两种：优先级压缩和二进制代码翻译。这两种是通用技术，可以用在所有虚拟化类型中。我们就结合 intercept 和 virtualize 来看看 CPU 软件虚拟化是怎么做的。

首先，一些必须的硬件知识要知道，X86 体系架构为了让上层的软件（操作系统、应用程序）能够访问硬件，提供了四个 CPU 特权级别，Ring 0 是最高级别，Ring 1 次之，Ring 2 更次之，Ring 3 是最低级别。

一般，操作系统由于要直接访问硬件和内存，因此它的代码需要运行在最高级别 Ring 0 上，而应用程序的代码运行在最低级别 Ring 3 上，如果要访问硬件和内存，比如设备访问，写文件等，就要执行相关的系统调用，CPU 的运行级别发生从 Ring 3 到 Ring 0 的切换，当完成之后，再切换回去，我们熟悉的用户态和内核态切换的本质就来自这里。

虚拟化的实现也是基于这个思想，VMM 本质上是个 Host OS，运行在 Ring 0 上，Guest OS 运行在 Ring 1 上，再往上是相应层次的应用程序运行在 Ring 2 和 Ring 3 上。

当 Guest OS 或上层应用在执行相关的特权指令时，就会发生越权访问，触发异常，这个时候 VMM 就截获（intercept）这个指令，然后模拟（virtualize）这个指令，返回给 Guest OS，让其以为自己的特权指令可以正常工作，继续运行。整个过程其实就是优先级压缩和二进制代码翻译的体现。

CPU 硬件虚拟化

上面的这种截获再模拟的纯软件的虚拟化方式，势必是性能非常低的。那怎么样提高性能呢，有一种改进的方式是修改 Guest OS 中关于特权指令的相关操作，将其改为一种函数调用的方式，让 VMM 直接执行，而不是截获和模拟，这样就能在一定程度上提高性能。

但这种方式并不通用，要去改 Guest OS 的代码，只能看作是一种定制。为了能够通用，又能够提高性能，就只能从硬件上去做文章了。所以，后来，以 Intel 的 VT-x 和 AMD 的 AMD-V 为主的硬件辅助的 CPU 虚拟化就被提出来（Intel VT 包括 VT-x （支持 CPU 虚拟化）、EPT（支持内存虚拟化）和 VT-d（支持 I/O 虚拟化））。

CPU 硬件辅助虚拟化在 Ring 模式的基础上引入了一种新的模式，叫 VMX 模式。它包括根操作模式（VMX Root Operation）和非根操作模式（VMX Non-Root Operation）。

这两种模式都有 Ring 0 - Ring 3 的特权级。所以，在描述某个应用程序时，除了描述其属于哪个特权级，还要指明其处于根模式还是非根模式。

引入这种模式的好处就在于，Guest OS 运行在 Ring 0 上，就意味着它的核心指令可以直接下达到硬件层去执行，而特权指令等敏感指令的执行则是由硬件辅助，直接切换到 VMM 执行，这是自动执行的，应用程序是感知不到的，性能自然就提高了。

这种切换 VT-x 定义了一套机制，称为 VM-entry 和 VM-exit。从非根模式切换到根模式，也就是从 Guest 切换到 Host VMM，称为 VM-exit，反之称为 VM-entry。

• VM-exit ： 如果 Guest OS 运行过程中遇到需要 VMM 处理的事件，比如中断或缺页异常，或者主动调用 VMCALL 指令调用 VMM 服务的时候（类似于系统调用），硬件自动挂起 Guest OS，切换到根模式，VMM 开始执行。

• VM-entry： VMM 通过显示调用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切换到非根模式，硬件自动加载 Guest OS 的上下文，Guest OS 开始执行。

KVM CPU 虚拟化

KVM 是一种硬件辅助的虚拟化技术，支持 Intel VT-x 和 AMD-v 技术，怎么知道 CPU 是否支持 KVM 虚拟化呢？可以通过如下命令查看：

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# grep -E '(vmx|svm)' /proc/cpuinfo

如果输出是 vmx 或 svm，则表明当前 CPU 支持 KVM，Intel 是 vmx，AMD 是svm。

从本质上看，一个 KVM 虚拟机对应 Host 上的一个 qemu-kvm 进程，它和其他 Linux 进程一样被调度，而 qemu-kvm 进程中的一个线程就对应虚拟机的虚拟 CPU （vCPU），虚拟机中的任务线程就被 vCPU 所调度。

比如下面这个例子，Host 机有两个物理 CPU，上面起了两个虚拟机 VM1 和 VM2，VM1 有两个 vCPU，VM2 有 3 个 vCPU，VM1 和 VM2 分别有 2 个 和 3 个线程在 2 个物理 CPU 上调度。VM1 和 VM2 中又分别有 3 个任务线程在被 vCPU 调度。

所以，这里有两级的 CPU 调度，Guest OS 中的 vCPU 负责一级调度，Host VMM 负责另一级调度，即 vCPU 在物理 CPU 上的调度。

我们也可以看到，vCPU 的个数，可以超过物理 CPU 的个数，这个叫 CPU 「超配」，这正是 CPU 虚拟化的优势所在，这表明了虚拟机能够充分利用 Host 的 CPU 资源，进行相应的业务处理，运维人员也可以据此控制 CPU 资源使用，达到灵活调度。

OK，CPU 虚拟化就到这里，下篇文章将讲述内存虚拟化。觉得写得凑合可以给个赞，谢谢大家的支持。

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KVM 是业界最为流行的 Hypervisor，全称是 Kernel-based Virtual Machine。它是作为 Linux kernel 中的一个内核模块而存在，模块名为 kvm.ko，也可以看作是一个进程，被内核调度并管理，从 Linux 2.6.20 版本开始被完全正式加入到内核的主干开发和正式发布代码中。 KVM 主要用于管理 CPU 和内存的虚拟化，IO 设备的虚拟化则是由 Qemu 来完成。为什么会有这样的分工，请继续往下看。

KVM 与 Qemu 的前世今生

Qemu 是一个纯软件实现的开源「模拟」软件，它能够模拟整套虚拟机的实现，包括 CPU、内存、各种 IO 设备、鼠标、键盘、USB 、网卡、声卡等等，基本上没有它不能模拟的。有人可能会比较疑惑它跟 KVM 之间到底有何关系，我们可以把它们看成是合作关系，好基友，谁都离不开彼此。

KVM 离不开 Qemu。KVM 实现初期，为了简化开发和代码重用，在 Qemu 的基础上进行了修改，主要是将比较耗性能的 CPU 虚拟化和内存虚拟化部分移到了内核中实现，保留 IO 虚拟化模块在用户空间实现。这样的做法主要是考虑到性能的原因，CPU 和 内存虚拟化是非常复杂的虚拟化模块，而且使用非常频繁，如果实现在用户空间的话，用户态和内核态的频繁切换势必会对性能造成很大的影响。那为什么要单独保留 IO 虚拟化在用户空间呢，这个也是权衡之下的结果，首先 IO 设备太多了，其次 IO 虚拟化相对其他两个模块使用不是很频繁，开销会小一些，所以，为了尽可能保持内核的纯净性，才有了这样的分配。

Qemu 离不开 KVM。上面也说了，Qemu 是一个纯软件的实现，运行在用户空间，性能非常低下，所以，从 Qemu 的角度，可以说是 Qemu 使用了 KVM 的虚拟化功能，为自身虚拟机提供加速。

早期两者还没有区分（没有同居），KVM 修改的模块叫 qemu-kvm，到 Qemu1.3 版本之后，两者就合二为一了（同居啦），如果我们在用 Qemu 创建虚拟机时，要加载 KVM 模块，需要为其指定参数 --enable-kvm。

KVM 与 Qemu 的关系（图片来源于网络，侵权必删）

KVM 架构

KVM 是基于硬件虚拟化（Intel VT 或 AMD-V）实现的一套虚拟化解决方案，通过以上一个与 Qemu 关系的分析，我们基本上知道它在虚拟化领域处在一个什么样的地位。它其实只负责 CPU 和内存的虚拟化，不负责任何设备的模拟，而是提供接口给用户空间的 Qemu 来模拟。这个接口是 /dev/kvm，
Qemu 通过 /dev/kvm 接口设置一个虚拟机的地址空间，然后向它提供模拟好的 I/O 设备，并将相关的设备回显操作映射到宿主机，完成整个 I/O 设备的虚拟化操作。

KVM 架构

/dev/kvm 接口是 Qemu 和 KVM 交互的“桥梁”，基本的原理是：/dev/kvm 本身是一个设备文件，这就意味着可以通过 ioctl 函数来对该文件进行控制和管理，从而可以完成用户空间与内核空间的数据交互。在 KVM 与 Qemu 的通信过程主要就是一系列针对该设备文件的 ioctl 调用。

我就拿创建虚拟机举个例子，虚拟机本质上是宿主机的一个进程，包括用户态数据结构和内核态数据结构，用户态部分由 Qemu 创建并初始化，内核态部分则由 KVM 来完成，完成后会返回一个文件句柄来代表所创建的虚拟机，针对该文件句柄的 ioctl 调用就可以对虚拟机进行相应的管理，比如建立虚拟机地址空间和宿主机地址空间的映射关系，创建多个线程（虚拟处理器，vCPU）来供虚拟机使用等，对于创建出的 vCPU，也会生成相应的文件句柄，同样，对 vCPU 的文件句柄的 ioctl 调用就可以对 vCPU 进行管理。

关于这块的具体细节，后面会有文章来专门讨论。

VMM 管理工具 —— libvirt

目前，虚拟化这个领域可以说是百花齐放，针对不同的场景提出了很多的虚拟化解决方案，KVM、Xen、VMware、VirtualBox、Hyper-V 等等，具体的这些方案有什么特点，可以看前文「虚拟化技术总览」。这么多方案势必有很多通用的模块，不同之处可能在于，与不同硬件厂商的适配上，为了支持更多厂商，以及应用更多的领域，有很多 IaaS 解决方案需要融合多种虚拟化技术。这个时候如果有一个平台类的管理工具就会非常方便，libvirt 就是这样一个工具。

libvirt 架构（图片来源于网络，侵权必删）

libvirt 除了能够支持多种虚拟化方案之外，还支持 OpenVZ、LXC 等容器虚拟化系统。它提供一套完善的虚拟机管理工具，支持 GUI 和命令行的形式，如 virsh、virt-install、virt-manager。由于它的通用性和易管理，很多云计算框架平台都在底层使用 libvirt 的 API 来管理虚拟机，比如 OpenStack、OpenNebula、Eucalyptus 等。这个工具我们仅仅提一下，有兴趣的可以装个玩玩。

下面给出 KVM 和 Qemu 的 git 路径，有兴趣的可以把源码下下来研究下。

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kvm.git：
git clone git://git.kernel.org/pub/scm/virt/kvm/kvm.git
qemu.git（包括了 kvm）:
git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git

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