深入探讨CPU虚拟化与KVM内存管理

### 一、CPU虚拟化

#### 1. 多CPU服务器架构：SMP/NUMA/MPP

当前商用服务器主要分为三类架构：对称多处理器（SMP）、非一致存储访问（NUMA）和大规模并行处理（MPP）。每种架构在资源管理和扩展性方面有其独特之处。

- **SMP（Symmetric Multi-Processor）**
- 特点：所有CPU共享同一套资源（如总线、内存和I/O系统），操作系统只有一个实例。每个CPU可以平等访问所有资源。
- 优势：简单且易于实现，适合中小规模应用。
- 局限：随着CPU数量增加，资源共享带来的瓶颈显著，特别是内存带宽限制。

- **NUMA（Non-Uniform Memory Access）**
- 特点：多个CPU模块各自拥有独立的本地内存和I/O资源，节点间通过高速互联模块通信。每个CPU可访问整个系统的内存，但访问远地内存速度较慢。
- 优势：有效解决了SMP的扩展性问题，支持更多CPU。
- 局限：跨节点访问内存延迟较高，影响整体性能。

- **MPP（Massively Parallel Processing）**
- 特点：由多个SMP节点组成，完全无共享结构，各节点仅访问自身资源。
- 优势：扩展性强，理论上无上限，特别适合数据仓库和决策支持系统。
- 局限：需要复杂的负载均衡机制来调度任务。

#### 2. CPU虚拟化技术

- **全虚拟化（Full Virtualization with Binary Translation）**
- 过程：客户操作系统运行在Ring 1，特权指令触发异常，VMM捕获并翻译模拟后返回给客户OS。
- 缺点：性能损耗大。

- **半虚拟化（Paravirtualization）**
- 方法：修改内核替换不可虚拟化的指令，通过超级调用直接与hypervisor交互。
- 优点：减少性能开销。

- **硬件辅助全虚拟化（AMD-v/Intel-VT）**
- 利用CPU内置的虚拟化支持，提高效率。

### 二、KVM-CPU虚拟化

#### 1. KVM虚拟机创建过程

KVM通过QEMU-KVM进程控制虚拟机，利用Linux内核模块实现CPU和内存虚拟化，QEMU负责I/O设备的模拟。

- **vCPU调度**：vCPU作为QEMU线程运行在主机上，受Linux进程调度器管理。

#### 2. Guest代码运行方式

KVM引入了第三种模式——Guest模式，对应于CPU的VMX non-root mode。KVM内核模块负责将CPU切换到该模式执行客户机代码。

#### 3. 内存虚拟化

KVM使用mmap系统调用映射客户机物理内存，通过硬件辅助（NPT/EPT）或软件（影子页表）实现地址转换。

- **KSM（Kernel SamePage Merging）**：合并相同页面以节省内存。
- **Huge Page Backed Memory**：使用巨页减少页表开销，提升性能。

### 三、总结

通过对SMP、NUMA、MPP架构及KVM内存管理的深入分析，可以看出不同场景下应选择合适的架构和技术，以达到最佳性能和资源利用率。