KVM及其调度简介 by 胡小康.

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1 KVM及其调度简介 by 胡小康

2 目录 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

3 第一部分 第一部分 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

4 虚拟化技术 第一部分 1. 什么是 虚拟化 将一种形式的资源抽象成为另外一种形式的资源
下层为上层提供一个与它原先所期待的环境完全一致的虚拟环境 分类 1 系统虚拟化 2 存储虚拟化 3 网络虚拟化 4 桌面虚拟化

5 虚拟化技术 第一部分 2. 虚拟机 抽象 物理机 虚拟机 宿主机 虚拟机 客户机 系统虚拟化 物理设备 虚拟设备 CPU 内存 I/O

6 虚拟化技术 第一部分 系统虚拟化 2. VMM需要创建虚拟运行环境，让客户机以为自己是独占硬件的，而实际上，它所看到的硬件都是VMM虚拟出来的资源。 系统虚拟化基本架构

7 虚拟化技术 第一部分 2. 职责 分类 VMM 取代传统的操作系统，管理系统中的物理硬件资源。
为各个虚拟机提供虚拟资源，包括虚拟CPU、虚拟内存、虚拟I/O设备等。 管理虚拟环境，维护虚拟机的正常运行。 分类 类型一VMM，直接运行在硬件上，控制硬件资源，管理虚拟机。 类型二VMM，运行在传统操作系统中，类似于一个应用程序，物理资源仍由操作系统管理，VMM通过调用操作系统的服务来获取资源。

8 虚拟化技术 第一部分 3. 分类 完全虚拟化 类虚拟化 全面模拟了底层硬件资源，为虚拟机提供的虚拟环境与真实物理机完全相同。
Guest OS无需做出任何修改就可以直接安装并运行。 Guest OS意识不到自己是处于虚拟环境中。 提供给虚拟机的环境与真实硬件平台不同，而是一个修改过的硬件抽象。 Guest OS的源代码需要经过修改，从而与VMM配合，完成系统虚拟化。

9 虚拟化技术 第一部分 3. 实现 CPU虚拟化 内存虚拟化 传统做法：影子页表，复杂度高，内存开销大
传统做法：“优先级压缩”加“陷入再模拟”；虚拟化漏洞 现在做法：硬件辅助CPU虚拟化，如Intel VT-x技术，引入“根操作”和“非根操作” 内存虚拟化 传统做法：影子页表，复杂度高，内存开销大 现在做法：从硬件层面解决，如Intel的EPT技术 I/O虚拟化 纯模拟设备，半虚拟化设备，直接分配设备

10 第一部分 第二部分 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

11 KVM简介 第二部分 基础知识 什么是 KVM Kernel-based Virtual Machine, 属于类型二VMM，采用完全虚拟化
内核中的一个模块，按需加载，与QEMU协同工作，构建虚拟化环境 KVM和QEMU的分工 KVM负责CPU虚拟化，内存虚拟化，以及一些对性能要求比较高的虚拟设备；大部分外设（网卡、硬盘等）交由用户空间的QEMU来模拟

12 KVM简介 第二部分 QEMU 开源软件，不属于KVM，包含整套虚拟机实现技术。 采用纯软件方式实现虚拟机，性能很低。
整套虚拟机实现技术：包括CPU虚拟化，内存虚拟化，虚拟设备等。 这是开源社区之间相互协作的一个典范 借用了现有的QEMU来完成设备模拟，仅需专注于对性能要求较高的CPU虚拟化、内存虚拟化 使用了KVM的虚拟化技术，为自己的虚拟机提供硬件虚拟化的加速，极大的提高性能

13 KVM简介 第二部分 基本架构 QEMU KVM模块 物理硬件 CPU 内存 I/O设备 Linux(Host) 虚拟机1 虚拟机2
虚拟硬件 虚拟硬件 用户空间 内核空间 左侧部分是一个标准的Linux操作系统，可以是RHEL 、Ubuntu 等，KVM内核模块在运行时按需加载进入内核空间运行，KVM本身不执行任何设备模拟， 需要用户空间程序QEMU通过接口设置一个虚拟客户机的地址空间，向它提供模拟的I/O设备 KVM模块 物理硬件 CPU 内存 I/O设备

14 KVM简介 第二部分 工作原理 User space Kernel Guest IOCTL 系统调用 切换至 Guest模式 执行
Start Exit处理 用户态、内核态 现在多了一个客户态，或者说客户模式，运行虚拟机代码，这个虚拟机中也有它自己的用户态和内核态 Y N I/O模拟 I/O ? QEMU KVM

15 第一部分 第三部分 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

16 vCPU模型 第三部分 基础知识 虚拟机和vCPU 每个虚拟机都是一个标准的Linux进程（QEMU创建）
每个vCPU是QEMU进程派生出的一个普通线程 vCPU 调度 vCPU是可调度的执行实体，VMM把vCPU调度至pCPU上运行， 并通常是在不同vCPU之间时分共享pCPU。 每个虚拟机可以有一个或多个vCPU，vCPU负责执行虚拟机中的代码

17 vCPU模型 第三部分 工作示意图

18 vCPU模型 第三部分 创建与运行 Qemu-kvm启动一个子线程（vCPU线程），该线程创建并初始化vCPU，主线程等待；
主线程继续初始化虚拟机工作，初始化完成后，通知子线程继续运行； 子线程调用kvm_vcpu_ioctl(vcpu, KVM_RUN, ...)来运行。 调用vmx_vcpu_load，加载vCPU上下文，设置VMCS，注意：此时仍是host状态，host的代码可以正常运行 kvm_vcpu_ioctl(vcpu, KVM_RUN, ...) {      vcpu_load(vcpu);      kvm_arch_vcpu_ioctl_run(vcpu, vcpu->run); } vcpu_load(struct kvm_vcpu *vcpu) {      kvm_arch_vcpu_load(vcpu, cpu); }

19 vCPU模型 第三部分 创建与运行 __vcpu_run() { while (r > 0) {
          r = vcpu_enter_guest(vcpu);           if (r < 0) break;           if (need_resched()) kvm_resched(vcpu);      }      return r; } int vcpu_enter_guest() {      ...     // VM Entry      vcpu->mode = IN_GUEST_MODE;      kvm_x86_ops->run(vcpu);      ...     // VM Exit      r = kvm_x86_ops->handle_exit(vcpu);      return r; } while (r>0)：不需要Qemu处理的VM Exit在这个循环中处理，否则退出循环，Exit至用户态 kvm_x86_ops->run(vcpu)：调用vmx_vcpu_run()，执行VMLAUNCH指令进行入guest状态

20 第一部分 第四部分 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

21 既然vCPU是标准的Linux线程，那么对vCPU的调度就可以直接
KVM调度 第四部分 示意图 3个物理CPU，2个虚拟机，每个虚拟机有3个虚拟CPU，分别在不同的pCPU调度队列中 既然vCPU是标准的Linux线程，那么对vCPU的调度就可以直接 借用Linux现有的调度器

22 KVM调度 第四部分 基础知识 运行队列 SMP系统中，每个CPU（这里指的是逻辑CPU）都会有自己的运行队列。
在Linux中，进程调度的调度实体其实是线程（LWP）。 介绍一下实时进程，硬实时，软实时。 …，需要花很多时间等待键盘和鼠标操作。…，否则用户将发现系统反应迟钝。典型的交互式进程如命令Shell、文本编辑程序等。 典型的批处理进程如编译器、科学计算等。 进程分类 Linux中，普通进程分为“交互式进程”和“批处理进程”。 交互式进程，经常与用户进行交互，当接受输入后，必须被很快唤醒。 批处理进程，不必与用户交互，常在后台运行，因此无需快速响应。

23 KVM调度 第四部分 基础知识 调度时机 内核态抢占 当前正在运行的进程的状态变为非可执行状态，主动或被动。
发生抢占，即进程运行时非预期地被剥夺CPU的使用权。可分两种情况：进程用完了时间片；出现了优先级更高的进程。 理想情况下，只要满足“出现了优先级更高的进程”，当前进程就应该被抢占。 如果当前进程正处于内核态，支持抢占并不容易。 Linux 2.6开始支持内核抢占，但在许多地方还需临时关闭。 但是在很多地方还是需要临时性的关闭内核态抢占，可能是为了保护临界区资源，也可能是处于效率考虑。

24 KVM调度 第四部分 调度器发展 1 2 3 Linux O(N) Scheduler CFS Scheduler
基于优先级的设计 时间片递减 倾向于提高交互式进程的优先级 算法复杂度为O(N) CFS Scheduler Complete Fair，完全公平思想 不再跟踪进程睡眠时间，也不再企图区分进程类型 将所有普通进程统一对待 对交互式进程仍然提供快速响应 1 2 3 Linux O(1) Scheduler 静态优先级决定基本时间片长短 考察平均睡眠时间，区分进程类型，设置动态优先级 动态优先级决定如何调度，目的是优待交互式进程 算法复杂度为O(1)

25 第一部分 第五部分 1 虚拟化技术 2 KVM简介 3 vCPU模型 4 KVM调度 5 CFS调度器

26 CFS调度器 第五部分 CFS原理 设计 理念 在真实硬件上模拟了一个“理想的多任务CPU”
现实 情况 不可能做到真正“同时”，每个CPU在同一时刻只能运行一个进程 CFS就是尽可能去接近这样的 “理想的多任务CPU”

27 CFS调度器 第五部分 CFS原理 引入vruntime，虚拟运行时间
Essentially, vruntime is a measure of the "runtime" of the thread - the amount of time it has spent on the processor. Among the tasks on a given run queue, the task with the lowest vruntime is the task that most deserves to run, hence select it as 'next'.

28 CFS调度器 第五部分 CFS原理 CFS中采用红黑树构建一个进程执行的时间轴，其键值就是vruntime。
CFS每次均挑选树中处于最左边的进程（其vruntime值最小）来执行，随 着该进程的执行，它的vruntime值逐渐变大，它在树中的位置越来越向右。 某个时刻，这个正在被执行的进程不再处于树中最左位置，新的位于最左 边的进程会抢占它，继而得到调度运行。 按照这种模式，所有进程都有被执行的机会。 红黑树，自平衡二叉查找树

29 CFS调度器 第五部分 vruntime 每次时钟中断时，vruntime增加的值由实际运行时间换算而来，优先级高则值小，相当于增加的慢，这就保证了调度的公平性。 对于交互式进程，由于长时间睡眠，vruntime值会较小，当其被唤醒时，就会优先执行。 优先级越高 vruntime 增加的越慢 获得运行时间越多 越来越大 平衡状态 公平性：优先级高的进程可以得到更多的运行时间，即得到的CPU份额越多。 为交互式进程提高快速响应。 平衡状态就是：大家的vruntime一致，且按照优先级获得了各自应得的CPU份额，从而达到完全公平！

30 CFS调度器 第五部分 完全公平 系统中只有n个普通进程在运行，只有1个逻辑CPU，没有新进程，没有进程睡眠，也没有进程执行完毕，初始时n个进程的vruntime均相同。 计算任一进程的vruntime在一个调度周期内的增加值 calc_delta_fair(delta_exec, curr) + calc_delta_fair(delta_exec, curr) + … = delta_exec * NICE_0 / curr->weight + delta_exec * NICE_0 / curr->weight + … = ideal_runtime * NICE_0 / curr->weight = period * curr->weight / cfs_rq->weight * NICE_0 / curr->weight = period * NICD_0 / cfs_rq->weight weight表示权重，由优先级换算得来 优先级高，vruntime增长的慢 优先级高，获得的运行时间更长，即更多的CPU份额 定值！

31 CFS调度器 第五部分 完全公平 理想 情况 每轮调度周期开始前和结束后，所有进程的vruntime值均相同，
并且各个进程根据优先级获得了公平的CPU份额 现实 情况 不可能每轮都保持公平，也许需要经历好几轮后才能达到公平， 但从长远来看，CFS调度确实是“完全公平”的！

32 第五部分 Q&A