QEMU 1: 使用QEMU创建虚拟机
QEMU是一款开源的模拟器及虚拟机监管器(Virtual Machine Monitor, VMM)。QEMU主要提供两种功能给用户使用。一是作为用户态模拟器，利用动态代码翻译机制来执行不同于主机架构的代码。二是作为虚拟机监管器，模拟全系统，利用其他VMM(Xen, KVM, etc)来使用硬件提供的虚拟化支持，创建接近于主机性能的虚拟机。
用户可以通过不同Linux发行版所带有的软件包管理器来安装QEMU。如在Debian系列的发行版上可以使用下面的命令来安装：
sudo apt-get install qemu
或者在红帽系列的发行版上使用如下命令安装：
sudo yum install qemu -y
除此之外，也可以选择从源码安装。
可以从QEMU官网上下载QEMU源码的tar包，以命令行下载2.0版本的QEMU为例：
$wget http://wiki.qemu-project.org/download/qemu-2.0.0.tar.bz2
$tar xjvf qemu-2.0.0.tar.bz2
如果需要参与到QEMU的开发中，最好使用Git获取源码：
$git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git
获取源码后，可以根据需求来配置和编译QEMU。
$cd qemu-2.0.0 //如果使用的是git下载的源码，执行cd qemu
$./configure --enable-kvm --enable-debug --enable-vnc --enable-werror --target-list="x86_64-softmmu"
$make -j8
$sudo make install
configure脚本用于生成Makefile，其选项可以用./configure --help查看。这里使用到的选项含义如下：
--enable-kvm：编译KVM模块，使QEMU可以利用KVM来访问硬件提供的虚拟化服务。
--enable-vnc：启用VNC。
--enalbe-werror：编译时，将所有的警告当作错误处理。
--target-list：选择目标机器的架构。默认是将所有的架构都编译，但为了更快的完成编译，指定需要的架构即可。
QEMU作为系统模拟器时，会模拟出一台能够独立运行操作系统的虚拟机。如下图所示，每个虚拟机对应主机(Host)中的一个QEMU进程，而虚拟机的vCPU对应QEMU进程的一个线程。
系统虚拟化最主要是虚拟出CPU、内存及I/O设备。虚拟出的CPU称之为vCPU，QEMU为了提升效率，借用KVM、XEN等虚拟化技术，直接利用硬件对虚拟化的支持，在主机上安全地运行虚拟机代码(需要硬件支持)。虚拟机vCPU调用KVM的接口来执行任务的流程如下(代码源自QEMU开发者Stefan的技术博客)：
open("/dev/kvm")
ioctl(KVM_CREATE_VM)
ioctl(KVM_CREATE_VCPU)
for (;;) {
ioctl(KVM_RUN)
switch (exit_reason) {
case KVM_EXIT_IO: /* ... */
case KVM_EXIT_HLT: /* ... */
}
}
QEMU发起ioctrl来调用KVM接口，KVM则利用硬件扩展直接将虚拟机代码运行于主机之上，一旦vCPU需要操作设备寄存器，vCPU将会停止并退回到QEMU，QEMU去模拟出操作结果。
虚拟机内存会被映射到QEMU的进程地址空间，在启动时分配。在虚拟机看来，QEMU所分配的主机上的虚拟地址空间为虚拟机的物理地址空间。
QEMU在主机用户态模拟虚拟机的硬件设备，vCPU对硬件的操作结果会在用户态进行模拟，如虚拟机需要将数据写入硬盘，实际结果是将数据写入到了主机中的一个镜像文件中。
成功安装QEMU之后便可创建自己的虚拟机。具体步骤如下：
1, 使用qemu-img创建虚拟机镜像。虚拟机镜像用来模拟虚拟机的硬盘，在启动虚拟机之前需要创建镜像文件。
[kelvin@kelvin tmp]$ qemu-img create -f qcow2 fedora.img 10G
Formatting 'fedora.img', fmt=qcow2 size=10737418240 encryption=off cluster_size=65536 lazy_refcounts=off
[kelvin@kelvin tmp]$ ls
fedora.img
-f选项用于指定镜像的格式，qcow2格式是QEMU最常用的镜像格式，采用写时复制技术来优化性能。fedora.img是镜像文件的名字，10G是镜像文件大小。镜像文件创建完成后，可使用qemu-system-x86来启动x86架构的虚拟机：
qemu-system-x86_64 fedora.img
此时会弹出一个窗口来作为虚拟机的显示器，显示内容如下：
因为fedora.img中并未给虚拟机安装操作系统，所以会提示“No bootable device”，无可启动设备。
2, 准备操作系统镜像。
可以从不同Linux发行版的官方网站上获取安装镜像，以fedora20为例：
[kelvin@kelvin tmp]$ wget http://ftp6.sjtu.edu.cn/fedora/linux/releases/20/Live/x86_64/Fedora-Live-Desktop-x86_64-20-1.iso
3, 检查KVM是否可用。
QEMU使用KVM来提升虚拟机性能，如果不启用KVM会导致性能损失。要使用KVM，首先要检查硬件是否有虚拟化支持：
[kelvin@kelvin ~]$ grep -E 'vmx|svm' /proc/cpuinfo
如果有输出则表示硬件有虚拟化支持。其次要检查kvm模块是否已经加载：
[kelvin@kelvin ~]$ lsmod | grep kvm
kvm_intel 142999 0
kvm 444314 1 kvm_intel
如果kvm_intel/kvm_amd、kvm模块被显示出来，则kvm模块已经加载。最后要确保qemu在编译的时候使能了KVM，即在执行configure脚本的时候加入了–enable-kvm选项。
4, 启动虚拟机安装操作系统。
执行下面的命令启动带有cdrom的虚拟机：
[kelvin@kelvin tmp]$ qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm fedora.img -cdrom ./Fedora-Live-Desktop-x86_64-20-1.iso
-m 指定虚拟机内存大小，默认单位是MB， -enable-kvm使用KVM进行加速，-cdrom添加fedora的安装镜像。可在弹出的窗口中操作虚拟机，安装操作系统，安装完成后重起虚拟机便会从硬盘(fedora.img)启动。之后再启动虚拟机只需要执行：
[kelvin@kelvin tmp]$ qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm fedora.img
即可。
命令行启动虚拟机比较繁琐，适合开发者，但对于普通用户来说，采用图形界面管理虚拟机则更为方便。采用图形界面管理QEMU虚拟机需要安装virt-manager，红帽系列的发行版只需要执行命令：
$sudo yum install virt-manager -y
安装完成后用root用户启动virt-manager：
$su -
#virt-manager
启动后的界面如下图所示：
点击左上角电脑图标即可创建虚拟机。按照步骤操作即可完成对虚拟机的创建。
使用gdb不仅可以很好地调试代码，也可以利用它来动态地分析代码。使用gdb调试QEMU需要做一些准备工作：
1, 编译QEMU时需要在执行configure脚本时的参数中加入–enable-debug。
2, 从QEMU官方网站上下载一个精简的镜像——linux-0.2.img。linux-0.2.img只有8MB大小，启动后包含一些常用的shell命令，用于QEMU的测试。
$wget http://wiki.qemu.org/download/linux-0.2.img.bz2
$bzip2 -d ./linux-0.2.img.bz2
3, 启动gdb调试QEMU：
gdb --args qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 4096 -smp 4 linux-0.2.img
-smp指定处理器个数。
QEMU系统模拟的主函数位于vl.c文件，无论是qemu-system-x86_64还是qemu-system-ppc64，都是从vl.c中的main函数开始执行。下面先介绍main函数涉及到的一些数据结构。
QEMU的链表在include/qemu/queue.h文件中定义，分为四种类型：
这里不一一介绍各种链表的用法，只通过NotifierList的定义来说明QEMU链表(list)的用法。在main函数的开头定义的DisplayState结构体使用到了NotifiereList，NotifierList就用到了链表。
a. 表头及节点的定义
定义表头需要用到QLIST_HEAD，定义如下：
86 #define QLIST_HEAD(name, type) \
87 struct name { \
88 struct type *lh_first; /* first element */ \
89 }
NotifierList就采用了QLIST_HEAD来定义表头：
27 typedef struct NotifierList
28 {
29 QLIST_HEAD(, Notifier) notifiers;
30 } NotifierList;
定义节点需要用到QLIST_ENTRY，定义如下：
94 #define QLIST_ENTRY(type) \
95 struct { \
96 struct type *le_next; /* next element */ \
97 struct type **le_prev; /* address of previous next element */ \
98 }
Notifier的节点定义如下：
21 struct Notifier
22 {
23 void (*notify)(Notifier *notifier, void *data);
24 QLIST_ENTRY(Notifier) node;
25 };
b. 初始化表头
初始化表头用到QLIST_INIT：
103 #define QLIST_INIT(head) do { \
104 (head)->lh_first = NULL; \
105 } while (/*CONSTCOND*/0)
初始化NotifierList就可以这样进行：
19 void notifier_list_init(NotifierList *list)
20 {
21 QLIST_INIT(&list->notifiers);
22 }
c. 在表头插入节点
将节点插入到表头使用QLIST_INSERT_HEAD：
122 #define QLIST_INSERT_HEAD(head, elm, field) do { \
123 if (((elm)->field.le_next = (head)->lh_first) != NULL) \
124 (head)->lh_first->field.le_prev = &(elm)->field.le_next;\
125 (head)->lh_first = (elm); \
126 (elm)->field.le_prev = &(head)->lh_first; \
127 } while (/*CONSTCOND*/0)
插入Notifier到NotifierList：
24 void notifier_list_add(NotifierList *list, Notifier *notifier)
25 {
26 QLIST_INSERT_HEAD(&list->notifiers, notifier, node);
27 }
d. 遍历节点
遍历节点使用QLIST_FOREACH或者QLIST_FOREACH_SAFE，QLIST_FOREACH_SAFE是为了防止遍历过程中删除了节点，从而导致le_next被释放掉，中断了遍历。
147 #define QLIST_FOREACH(var, head, field) \
148 for ((var) = ((head)->lh_first); \
149 (var); \
150 (var) = ((var)->field.le_next))
151
152 #define QLIST_FOREACH_SAFE(var, head, field, next_var) \
153 for ((var) = ((head)->lh_first); \
154 (var) && ((next_var) = ((var)->field.le_next), 1); \
155 (var) = (next_var))
NotifierList在执行所有的回调函数时就用到了QLIST_FOREACH_SAFE：
34 void notifier_list_notify(NotifierList *list, void *data)
35 {
36 Notifier *notifier, *next;
37
38 QLIST_FOREACH_SAFE(notifier, &list->notifiers, node, next) {
39 notifier->notify(notifier, data);
40 }
41 }
为了方便的处理错误信息，QEMU定义了Error和QError两个数据结构。Error在qobject/qerror.c中定义：
101 struct Error
102 {
103 char *msg;
104 ErrorClass err_class;
105 };
包含了错误消息字符串和枚举类型的错误类别。错误类别有下面几个：
139 typedef enum ErrorClass
140 {
141 ERROR_CLASS_GENERIC_ERROR = 0,
142 ERROR_CLASS_COMMAND_NOT_FOUND = 1,
143 ERROR_CLASS_DEVICE_ENCRYPTED = 2,
144 ERROR_CLASS_DEVICE_NOT_ACTIVE = 3,
145 ERROR_CLASS_DEVICE_NOT_FOUND = 4,
146 ERROR_CLASS_K_V_M_MISSING_CAP = 5,
147 ERROR_CLASS_MAX = 6,
148 } ErrorClass;
QEMU在util/error.c中定义了几个函数来对Error进行操作：
error_set //根据给定的ErrorClass以及格式化字符串来给Error分配空间并赋值
error_set_errno //除了error_set的功能外，将指定errno的错误信息追加到格式化字符串的后面
error_copy //复制Error
error_is_set //判断Error是否已经分配并设置
error_get_class //获取Error的ErrorClass
error_get_pretty //获取Error的msg
error_free //释放Error及msg的空间
另外，QEMU定义了QError来处理更为细致的错误信息：
22 typedef struct QError {
23 QObject_HEAD;
24 Location loc;
25 char *err_msg;
26 ErrorClass err_class;
27 } QError;
QError可以通过一系列的宏来给err_msg及err_class赋值：
39 #define QERR_ADD_CLIENT_FAILED \
40 ERROR_CLASS_GENERIC_ERROR, "Could not add client"
41
42 #define QERR_AMBIGUOUS_PATH \
43 ERROR_CLASS_GENERIC_ERROR, "Path '%s' does not uniquely identify an object"
44
45 #define QERR_BAD_BUS_FOR_DEVICE \
46 ERROR_CLASS_GENERIC_ERROR, "Device '%s' can't go on a %s bus"
47
48 #define QERR_BASE_NOT_FOUND \
49 ERROR_CLASS_GENERIC_ERROR, "Base '%s' not found"
...
Location记录了出错的位置，定义如下：
20 typedef struct Location {
21 /* all members are private to qemu-error.c */
22 enum { LOC_NONE, LOC_CMDLINE, LOC_FILE } kind;
23 int num;
24 const void *ptr;
25 struct Location *prev;
26 } Location;
QEMU使用glib中的GMainLoop来实现IO多路复用，关于GMainLoop可以参考博客GMainLoop的实现原理和代码模型。由于GMainLoop并非QEMU本身的代码，本文就不重复赘述。
QEMU定义了QEMUOption来表示执行qemu-system-x86_64等命令时用到的选项。在vl.c中定义如下：
2123 typedef struct QEMUOption {
2124 const char *name; //选项名，如 -device, name的值就是device
2125 int flags; //标志位，表示选项是否带参数，可以是0，或者HAS_ARG(值为0x0001)
2126 int index; //枚举类型的值，如-device，该值就是QEMU_OPTION_device
2127 uint32_t arch_mask; // 选项支持架构的掩码
2128 } QEMUOption;
vl.c中维护了一个QEMUOption数组qemu_options来存储所有可用的选项，并利用qemu-options-wrapper.h和qemu-options.def来给该数组赋值。赋值语句如下：
2130 static const QEMUOption qemu_options[] = {
2131 { "h", 0, QEMU_OPTION_h, QEMU_ARCH_ALL },
2132 #define QEMU_OPTIONS_GENERATE_OPTIONS
2133 #include "qemu-options-wrapper.h"
2134 { NULL },
2135 };
#define QEMU_OPTIONS_GENERATE_OPTIONS选择qemu-options-wrapper.h的操作，qemu-options-wrapper.h可以进行三种操作：
QEMU_OPTIONS_GENERATE_ENUM: 利用qemu-options.def生成一个枚举值列表，就是上面提到的QEMU_OPTION_device等
QEMU_OPTIONS_GENERATE_HELP: 利用qemu-options.def生成帮助信息并输出到标准输出
QEMU_OPTIONS_GENERATE_OPTIONS: 利用qemu-options.def生成一组选项列表
可以通过下面的方法来展开qemu-options-wrapper.h来查看上述操作的结果，以生成选项为例。
gcc -E -o options.txt qemu-options-wrapper.h给qemu_options数组赋值后，QEMU就有了一个所有可用选项的集合。之后在vl.c中main函数的一个for循环根据这个集合开始解析命令行。for循环的框架大致如下：
1 for(;;) {
2 if (optind >= argc)
3 break;
4 if (argv[optind][0] != '-') {
5 hda_opts = drive_add(IF_DEFAULT, 0, argv[optind++], HD_OPTS);
6 } else {
7 const QEMUOption *popt;
8
9 popt = lookup_opt(argc, argv, &optarg, &optind);
10 if (!(popt->arch_mask & arch_type)) {
11 printf("Option %s not supported for this target\n", popt->name);
12 exit(1);
13 }
14 switch(popt->index) {
15 case QEMU_OPTION_M:
16 ......
17 case QEMU_OPTION_hda:
18 ......
19 case QEMU_OPTION_watchdog:
20 ......
21 default:
22 os_parse_cmd_args(popt->index, optarg);
23 }
24 }
25 }
QEMU会把argv中以'-'开头的字符串当作选项，然后调用lookup_opt函数到qemu_options数组中查找该选项，如果查找到的选项中flags的值是HAS_ARG，lookup_opt也会将参数字符串赋值给optarg。找到选项和参数之后，QEMU便根据选项中的index枚举值来执行不同的分支。
对于一些开关性质的选项，分支执行时仅仅是把相关的标志位赋值而已，如：
3712 case QEMU_OPTION_old_param:
3713 old_param = 1;
3714 break;
也有一些选项没有子选项，分支执行时就直接把optarg的值交给相关变量：
3822 case QEMU_OPTION_qtest:
3823 qtest_chrdev = optarg;
3824 break;
对于那些拥有子选项的选项，如”-drive if=none,id=DRIVE-ID”，QEMU的处理会更为复杂一些。它会调用qemu_opts_parse来解析子选项，如realtime选项的解析：
3852 case QEMU_OPTION_realtime:
3853 opts = qemu_opts_parse(qemu_find_opts("realtime"), optarg, 0);
3854 if (!opts) {
3855 exit(1);
3856 }
3857 configure_realtime(opts);
3858 break;
对子选项的解析涉及到4个数据结构：QemuOpt, QemuDesc, QemuOpts, QemuOptsList. 它们的关系如下图所示：
QemuOpt存储子选项，每个QemuOpt有一个QemuOptDesc来描述该子选项名字、类型、及帮助信息。两个结构体定义如下：
32 struct QemuOpt {
33 const char *name; //子选项的名字
34 const char *str; //字符串值
35
36 const QemuOptDesc *desc;
37 union {
38 bool boolean; //布尔值
39 uint64_t uint; //数字或者大小
40 } value;
41
42 QemuOpts *opts;
43 QTAILQ_ENTRY(QemuOpt) next;
44 };
95 typedef struct QemuOptDesc {
96 const char *name;
97 enum QemuOptType type;
98 const char *help;
99 } QemuOptDesc;
子选项的类型可以是：
88 enum QemuOptType {
89 QEMU_OPT_STRING = 0, // 字符串
90 QEMU_OPT_BOOL, // 取值可以是on或者off
91 QEMU_OPT_NUMBER, // 数字
92 QEMU_OPT_SIZE, // 大小，可以有K, M, G, T等后缀
93 };
QEMU维护了一个QemuOptsList*的数组，在util/qemu-config.c中定义：
10 static QemuOptsList *vm_config_groups[32];
在main函数中由qemu_add_opts将各种QemuOptsList写入到数组中：
2944 qemu_add_opts(&qemu_drive_opts);
2945 qemu_add_opts(&qemu_chardev_opts);
2946 qemu_add_opts(&qemu_device_opts);
2947 qemu_add_opts(&qemu_netdev_opts);
2948 qemu_add_opts(&qemu_net_opts);
2949 qemu_add_opts(&qemu_rtc_opts);
2950 qemu_add_opts(&qemu_global_opts);
2951 qemu_add_opts(&qemu_mon_opts);
2952 qemu_add_opts(&qemu_trace_opts);
2953 qemu_add_opts(&qemu_option_rom_opts);
2954 qemu_add_opts(&qemu_machine_opts);
2955 qemu_add_opts(&qemu_smp_opts);
2956 qemu_add_opts(&qemu_boot_opts);
2957 qemu_add_opts(&qemu_sandbox_opts);
2958 qemu_add_opts(&qemu_add_fd_opts);
2959 qemu_add_opts(&qemu_object_opts);
2960 qemu_add_opts(&qemu_tpmdev_opts);
2961 qemu_add_opts(&qemu_realtime_opts);
2962 qemu_add_opts(&qemu_msg_opts);
每个QemuOptsList存储了大选项所支持的所有小选项，如-realtime大选项QemuOptsList的定义：
507 static QemuOptsList qemu_realtime_opts = {
508 .name = "realtime",
509 .head = QTAILQ_HEAD_INITIALIZER(qemu_realtime_opts.head),
510 .desc = {
511 {
512 .name = "mlock",
513 .type = QEMU_OPT_BOOL,
514 },
515 { /* end of list */ }
516 },
517 };
-realtime只支持1个子选项，且值为bool类型，即只能是on或者off。
在调用qemu_opts_parse解析子选项之前，QEMU会调用qemu_find_opts(“realtime”)，把QemuOptsList *从qemu_add_opts中找出来，和optarg一起传递给qemu_opts_parse去解析。QEMU可能会多次使用同一个大选项来指定多个相同的设备，在这种情况下，需要用id来区分。QemuOpts结构体就表示同一id下所有的子选项，定义如下：
46 struct QemuOpts {
47 char *id;
48 QemuOptsList *list;
49 Location loc;
50 QTAILQ_HEAD(QemuOptHead, QemuOpt) head;
51 QTAILQ_ENTRY(QemuOpts) next;
52 };
其中list是同一个大选项下不同id的QemuOpts链表。