linux很强大，inux 服务器也随之变得越来越强大了。无论是计算、网络、存储，都越来越牛。例如，内存动不动就是百 G 内存，网络设备一个端口的带宽就能有几十 G 甚至上百 G，存储在数据中心至少是 PB 级别的。但是也有其坏处：
- 资源大小不灵活：有时候我们不需要这么大规格的机器，可能只想尝试一下某些新业务，申请个4核8G的服务器试一下，但是不可能采购这么小规格的机器。无论每个项目需要多大规格的机器，公司统一采购就限制几种，全部是上面那种大规格的。
- 资源申请不灵活：规格定死就定死吧，可是每次申请机器都要重新采购，周期很长。
- 资源复用不灵活：反之我需要的资源不多，和别人共享一台机器把，这样不同的进程可能会冲突。另外就是其他人用过的机器，不知道上面做过哪些操作，有很多历史包袱，如果重新安装则代价太大。
为了解决这些问题，可以在物理机上创建虚拟机。每个虚拟机都有自己单独的操作系统、灵活的规格，一个命令就能启动起来。每次创建都是新的操作系统，很好的解决了上面不灵活的问题。
但是要使用虚拟机，还有一些问题需要解决一下。
我们知道，操作系统上的程序分为两种，一种是用户态的程序，比如work，Excel等，一种是内核态的程序，比如内核代码、驱动程序等。
为了区分内核态和用户态，CPU专门设置四个特权等级0、1、2、3来做这个事情。
当时写linux内核的时候，估计大牛们还不知道将来虚拟机会大放异彩。大牛们想，一共两级特权，一个内核态、一个用户态，却有四个等级，很奢侈、很丰富，于是就敞开了用。内核态运行在第0等级，用户态运行在第3等级，占了两头，中间的都不用，太不会过日子了。
大牛们在写linux内核的时候，如果用户态程序做事情，就将扳手掰到第 3 等级，一旦要申请使用更多的资源，就需要申请把扳手掰到第 0 等级，内核才能在高权限访问这些资源，申请完资源，返回到用户态，扳手再掰回去。
这个程序一直非常顺利的运行着，直到虚拟机出现了
三种虚拟化方式
如果你安装virtualBox桌面版，你可以用这个虚拟机软件创建虚拟机，在虚拟机里面按照一个linux，外面的操作吸引也可以是linux。VirtualBox 这个虚拟化软件，和你的 Excel 一样，都是在你的任务栏里面并排放着，是一个普通的应用。
当你进入虚拟机的时候，虚拟机里面的 Excel 也是一个普通的应用。
这个时候麻烦的事情出现了，当你设身处地地站在虚拟机的内核角度，去思考一下人生，你就会出现困惑了，会想，我到底是啥？
在硬件上的操作系统来看，我是一个普通的应用，只能运行在用户态。可是大牛们“生“我的时候，我的每一行代码都告诉我，我是个内核啊，应该运行在内核态。当虚拟机里面的 Excel 要访问网络的时候，向我请求，我的代码就要努力地去操作网卡。尽管我努力，但是我做不到啊，我没有权限！
我分裂了……
怎么办呢？虚拟化层，也就是 Virtualbox 会帮你解决这个问题，它有三种虚拟化的方式。
我们先来看第一种方式，完全虚拟化（Full virtualization）。其实说白了，这是一种“骗人”的方式。虚拟化软件会模拟假的 CPU、内存、网络、硬盘给到我，让我自我感觉良好，感觉自己终于又像个内核了。
但是，真正的工作模式其实是下面这样的。
虚拟机内核说：我要在 CPU 上跑一个指令！
虚拟化软件说：没问题，你是内核嘛，可以跑！
虚拟化软件转过头去找物理机内核说：报告，我管理的虚拟机里面的一个要执行一个 CPU 指令，帮忙来一小段时间空闲的 CPU 时间，让我代它跑个指令。
物理机内核说：你等着，另一个跑着呢。（过了一会儿）它跑完了，该你了。
虚拟化软件说：我代它跑，终于跑完了，出来结果了。
虚拟化软件转头给虚拟机内核说：哥们儿，跑完了，结果是这个。我说你是内核吧，绝对有权限，没问题，下次跑指令找我啊！
虚拟机内核说：看来我真的是内核呢，可是，哥，好像这点儿指令跑得有点慢啊！
虚拟化软件说：这就不错啦，好几个排着队跑呢！
内存的申请模式是下面这样的。
虚拟机内核说：我启动需要 4G 内存，我好分给我上面的应用。
虚拟化软件说：没问题，才 4G，你是内核嘛，我马上申请好。
虚拟化软件转头给物理机内核说：报告，我启动了一个虚拟机，需要 4G 内存，给我 4 个房间呗。
物理机内核：怎么又一个虚拟机啊！好吧，给你 90、91、92、93 四个房间。
虚拟化软件转头给虚拟机内核说：哥们，内存有了，0、1、2、3 这个四个房间都是你的。你看，你是内核嘛，独占资源，从 0 编号的就是你的。
虚拟机内核说：看来我真的是内核啊，能从头开始用。那好，我就在房间 2 的第三个柜子里面放个东西吧！
虚拟化软件说：要放东西啊，没问题。但是，它心里想：我查查看，这个虚拟机是 90 号房间开头的，它要在房间 2 放东西，那就相当于在房间 92 放东西。
虚拟化软件转头给物理机内核说：报告，我上面的虚拟机要在 92 号房间的第三个柜子里面放个东西。
好了，说完了 CPU 和内存的例子，网络和硬盘就不细说了，情况也是类似的，都是虚拟化软件模拟一个给虚拟机内核看的，其实啥事儿都需要虚拟化软件转一遍。
这种方式一个坏处就是，慢，而且往往慢到不能忍受。
于是，虚拟化软件想，我能不能不当传话筒，要让虚拟机内核正视自己的身份。别说你是内核，你还真喘上了。你不是物理机，你是虚拟机！
但是，怎么解决权限等级问题呢？于是，Intel的VT-x和AMD的AMV-V从硬件层面帮上了忙。当初谁让你们这些写内核的大牛用等级这么奢侈，用完了 0，就是 3，也不省着点儿用，没办法，只好另起炉灶弄一个新的标志位，表示当前是在虚拟机状态下，还是在真正的物理机内核下。
对于虚拟机内核来讲，只要将标志位设为虚拟机状态，我们就可以直接在CPU上执行大部分的指令，不需要虚拟机软件在中间转述，除非遇到特别敏感的指令，才需要将标志位设为物理机内核态运行，这样大大提高了效率。
所以，安装虚拟机的时候，我们务必要将物理 CPU 的这个标志位打开。想知道是否打开，对于 Intel，你可以查看 grep “vmx” /proc/cpuinfo；对于 AMD，你可以查看 grep “svm” /proc/cpuinfo
这叫作硬件辅助虚拟化（Hardware-Assisted Virtualization）。
另外就是访问网络或者硬盘的时候，为了取得更高的性能，也需要让虚拟机内核加载特殊的驱动，也是让虚拟机内核从代码层面就重新定位自己的身份，不能像访问物理机一样访问网络或者硬盘，而是用一种特殊的模式。
我知道我不是物理机内核，我知道我是虚拟机，我没那么高的权限，我很可能和很多虚拟机共享物理资源，所以我要学会排队，我写硬盘其实写的是一个物理机上的文件，那我的写文件的缓存方式是不是可以变一下。我发送网络包，根本就不是发给真正的网络设备，而是给虚拟的设备，我可不可以直接在内存里面拷贝给它，等等等等。
一旦我知道我不是物理机内核，痛定思痛，只好重新认识自己，反而能找出很多方式来优化我的资源访问。
这叫作半虚拟化（Paravirtualization）。
对于桌面虚拟化软件，我们多采用 VirtualBox，如果使用服务器的虚拟化软件，则有另外的选型。
服务器上的虚拟化软件，多使用 qemu，其中关键字 emu，全称是 emulator，模拟器。所以，单纯使用 qemu，采用的是完全虚拟化的模式。
qemu 向 Guest OS 模拟 CPU，也模拟其他的硬件，GuestOS 认为自己和硬件直接打交道，其实是同 qemu 模拟出来的硬件打交道，qemu 会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从 qemu 里面过一手，因而性能就会比较差。
按照上面的介绍，完全虚拟化是非常慢的，所以要使用硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT，AMD-V，所以需要 CPU 硬件开启这个标志位，一般在 BIOS 里面设置。
当确认开始了标志位之后，通过 KVM，GuestOS 的 CPU 指令不用经过 Qemu 转译，直接运行，大大提高了速度。
所以，KVM 在内核里面需要有一个模块，来设置当前 CPU 是 Guest OS 在用，还是 Host OS 在用。
下面，我们来查看内核模块中是否含有 kvm, lsmod | grep kvm。
KVM 内核模块通过 /dev/kvm 暴露接口，用户态程序可以通过 ioctl 来访问这个接口。例如，你可以通过下面的流程编写程序。
Qemu 将 KVM 整合进来，将有关 CPU 指令的部分交由内核模块来做，就是 qemu-kvm (qemu-system-XXX)。
qemu 和 kvm 整合之后，CPU 的性能问题解决了。另外 Qemu 还会模拟其他的硬件，如网络和硬盘。同样，全虚拟化的方式也会影响这些设备的性能。
于是，qemu 采取半虚拟化的方式，让 Guest OS 加载特殊的驱动来做这件事情。
例如，网络需要加载 virtio_net，存储需要加载 virtio_blk，Guest 需要安装这些半虚拟化驱动，GuestOS 知道自己是虚拟机，所以数据会直接发送给半虚拟化设备，经过特殊处理（例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式），最终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。
至此，整个关系如下图所示。
总结
- 虚拟化的本质是用 qemu 的软件模拟硬件，但是模拟方式比较慢，需要加速；
- 虚拟化主要模拟 CPU、内存、网络、存储，分别有不同的加速办法；
- CPU 和内存主要使用硬件辅助虚拟化进行加速，需要配备特殊的硬件才能工作；
- 网络和存储主要使用特殊的半虚拟化驱动加速，需要加载特殊的驱动程序。