英文原文：https://lwn.net/Articles/658511/。本文在翻译的基础上加了一些自己的理解。
qemu、virtual box、vmware、xen都是虚拟机，一般用户接触到的virtual box和vmware比较多，都是用来ubuntu中跑windows，或者windows中跑ubuntu的。
qemu其实是鼎鼎大名的最基础的开源模拟器，可以纯软件模拟x86、arm、mips，这一点完虐其它模拟器；也可以使用硬件加速，比如linux下kvm和windows以及mac下的haxm。这些硬件加速又是基于initel VT-x, intel VT-d，以及amd对应的技术，这些技术提供了vCPU，以及硬件的影子页表(intel EPT)，大大减轻了qemu软件模拟的工作量。
virtual box，qemu-kvm都使用到了qemu，但是仅仅用到了它的设备模拟功能。qemu对于gpu的模拟比较渣，所以基于qemu的android emulator自己实现了opengles 的qemu pipe，使用host电脑上的opengl进行绘图。
xen在云计算中用的比较多，在这里不做详细介绍。其它模拟器基本都是运行在普通操作系统之上的一个进程，每一个核是其中的一个线程。
本文介绍kvm的使用，在intel平台下ubuntu12.04中实现一个最简单的模拟器，计算2+2的结果并通过io端口输出。
内核中kvm api的介绍可以看：Documentation/virtual/kvm/api.txt，其它的一些文档：Documentation/virtual/kvm/。完整的源码：https://lwn.net/Articles/658512/。
使用kvm的真正的虚拟机，模拟了很多虚拟的设备和固件，还有复杂的初始化状态(各个设备的初始化，CPU寄存器的初始化等)，以及内存的初始化。本文所述的模拟器demo，将使用如下16bit的x86的代码(为什么是16bit呢，因为x86一上电是实模式，工作于16bit；之后再切换到32bit的保护模式的)：
mov $0x3f8, %dx
add %bl, %al
add $'0', %al
out %al, (%dx)
mov $'\n', %al
out %al, (%dx)
hlt
这段代码充当了guest os，基本上算是一个裸奔的系统了。它实现了2+2，然后再加上‘0‘，把4转为ascii的‘4‘，并通过端口0x3f8输出。然后再输出了‘\n‘，就关机了。
我们把这段代码对应的二进制存到数组里面：
const uint8_t code[] = {
0xba, 0xf8, 0x03, /* mov $0x3f8, %dx */
0x00, 0xd8, /* add %bl, %al */
0x04, '0', /* add $'0', %al */
0xee, /* out %al, (%dx) */
0xb0, '\n', /* mov $'\n', %al */
0xee, /* out %al, (%dx) */
0xf4, /* hlt */
};
怎么得到这些机器码呢？
[email protected]:~$ cat simple_os.asm
mov $0x3f8, %dx
add %bl, %al
add $'0', %al
out %al, (%dx)
mov $'\n', %al
out %al, (%dx)
hlt
[email protected]:~$ as -o simple_os.o simple_os.asm
[email protected]:~$ objdump -d simple_os.o
simple_os.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <.text>:
0: 66 ba f8 03 mov $0x3f8,%dx
4: 00 d8 add %bl,%al
6: 04 30 add $0x30,%al
8: ee out %al,(%dx)
9: b0 0a mov $0xa,%al
b: ee out %al,(%dx)
c: f4 hlt
可以在这个网页上查看汇编指令，以及对应的机器码：http://x86.renejeschke.de/
注意开头多了一个0x66，解释如下：
http://wiki.osdev.org/X86-64_Instruction_Encoding里面的Prefix group 3
所以我们需要在simple_os.asm文件的开头添加.code16，这样的话就对了，但是objdump显示的又不对了，需要这样使用才行：
[email protected]:~$ objdump -d -Mintel,i8086 simple_os.o simple_os.o: file format elf64-x86-64 Disassembly of section .text: 0000000000000000 <.text>: 0: ba f8 03 mov dx,0x3f8 3: 00 d8 add al,bl 5: 04 30 add al,0x30 7: ee out dx,al 8: b0 0a mov al,0xa a: ee out dx,al b: f4 hlt
https://sourceware.org/binutils/docs/as/i386_002d16bit.html
http://stackoverflow.com/questions/1737095/how-do-i-disassemble-raw-x86-code
我们会把这段代码，放到虚拟物理内存，也就是GPA(guest physical address)的第二个页面中(to avoid conflicting with a non-existent real-mode interrupt descriptor table at address 0)，防止和实模式的中断向量表冲突。al和bl初始化为2，cs初始化为0，ip指向第二个页面的起始位置0x1000。
除此之外，我们还有一个虚拟的串口设备，端口是0x3f8，8bit，用于输出字符。
为了实现一个虚拟机，我们首先需要打开/dev/kvm：
kvm = open("/dev/kvm", O_RDWR | O_CLOEXEC);
在使用kvm之前，需要使用KVM_GET_API_VERSION ioctl()去检查下kvm的版本是否正确，看看是否为api12，是才可以继续运行：
ret = ioctl(kvm, KVM_GET_API_VERSION, NULL);
if (ret == -1)
err(1, "KVM_GET_API_VERSION");
if (ret != 12)
errx(1, "KVM_GET_API_VERSION %d, expected 12", ret);
检查完api版本后，可以使用KVM_CHECK_EXTENSION ioctl()去检查其它extensions是否可用，比如KVM_SET_USER_MEMORY_REGION，用来检查kvm是否支持硬件影子页表(http://royluo.org/2016/03/13/kvm-mmu-virtualization/)：
ret = ioctl(kvm, KVM_CHECK_EXTENSION, KVM_CAP_USER_MEMORY);
if (ret == -1)
err(1, "KVM_CHECK_EXTENSION");
if (!ret)
errx(1, "Required extension KVM_CAP_USER_MEM not available");
然后再创建一个虚拟机vm，这个vm和内存，设备，所有的vCPU相关，在host系统中对应一个进程：
vmfd = ioctl(kvm, KVM_CREATE_VM, (unsigned long)0);
虚拟机需要一些虚拟物理内存，用来存放guest os。当guest os进行内存访问时，如果缺页，kvm会根据KVM_SET_USER_MEMORY_REGION的设置，去尝试解决缺页的问题，如果kvm无法解决，就会退出，退出原因是KVM_EXIT_MMIO，然后由qemu或者其它东西去进行设备的模拟(《android qemu-kvm内存管理和IO映射》)。
我们先在host中申请一页内存，然后把guest os裸奔的代码拷贝过去：
mem = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0); memcpy(mem, code, sizeof(code));
然后我们需要把host 虚拟空间的内存和guest os虚拟物理内存的映射关系使用KVM_SET_USER_MEMORY_REGION ioctl()告知kvm：
struct kvm_userspace_memory_region region = {
.slot = 0,
.guest_phys_addr = 0x1000,
.memory_size = 0x1000,
.userspace_addr = (uint64_t)mem,
};
ioctl(vmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, ®ion);
这样，当guest os访问到虚拟物理内存的0x1000~0x2000之间的话，kvm会直接访问到mem所对应的真实的物理内存。
现在，我们有了一个虚拟机vm，有了一些虚拟物理内存，内存里面有guest os的代码，那么我们需要给虚拟机添加一个核(vCPU)，对应一个线程。当然也可以多核(vCPUs，调用多次KVM_CREATE_VCPU)：
vcpufd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, (unsigned long)0);
每一个vCPU都和一个kvm_run结构体相关，kvm_run用于内核态和用户态信息的同步，比如从用户态的虚拟机中获得内核态的kvm退出的原因，KVM_EXIT_MMIO, KVM_EXIT_IO之类的。先获得kvm_run结构体的大小，然后分配内存并和vCPU进行绑定：
mmap_size = ioctl(kvm, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, NULL); run = mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, vcpufd, 0);
vCPU中还有处理器寄存器的状态，分为两组，struct kvm_regs和struct kvm_sregs，我们需要设置其中的cs，al，bl，ip等寄存器：
ioctl(vcpufd, KVM_GET_SREGS, &sregs);
sregs.cs.base = 0;
sregs.cs.selector = 0;
ioctl(vcpufd, KVM_SET_SREGS, &sregs);
struct kvm_regs regs = {
.rip = 0x1000,
.rax = 2,
.rbx = 2,
.rflags = 0x2,
};
ioctl(vcpufd, KVM_SET_REGS, ®s);
好了，东西都准备好了，我们可以开始运行vCPU了：
while (1) {
ioctl(vcpufd, KVM_RUN, NULL);
switch (run->exit_reason) {
/* Handle exit */
}
}
我们需要根据run->exit_reason来处理kvm的退出状态，比如guest 关机：
case KVM_EXIT_HLT:
puts("KVM_EXIT_HLT");
return 0;
初始化失败：
case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:
errx(1, "KVM_EXIT_FAIL_ENTRY: hardware_entry_failure_reason = 0x%llx",
(unsigned long long)run->fail_entry.hardware_entry_failure_reason);
case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:
errx(1, "KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR: suberror = 0x%x",
run->internal.suberror);
以及需要进行设备的模拟器，在这里，只有一个端口为0x3f8的串口设备。模拟设备的效果就是把字符打印出来：
case KVM_EXIT_IO: if (run->io.direction == KVM_EXIT_IO_OUT && run->io.size == 1 && run->io.port == 0x3f8 && run->io.count == 1) putchar(*(((char *)run) + run->io.data_offset)); else errx(1, "unhandled KVM_EXIT_IO"); break;
测试结果：
[email protected]:~/Desktop$ gcc -o kvmtest kvmtest.c [email protected]:~/Desktop$ ./kvmtest 4 KVM_EXIT_HLT
qemu-kvm中，qemu的主要任务就是KVM_EXIT_IO, KVM_EXIT_MMIO之后的虚拟设备的模拟，以及KVM_RUN之前设置好相关的设备的东西并进行初始化。