在KVM虛擬化的架構裡，對CPU的虛擬化採用的是硬體輔助的方式（Intel VT-x，AMD-V），效率比較高，記憶體的虛擬化有Intel EPT技術的支援，效率也沒有問題；那麼對於像磁碟驅動器，網絡卡等io裝置來說，KVM提供兩種虛擬化方式：採用全虛擬化純軟體實現的QEMU/KVM方式，採用半虛擬化的virtio方式。

如上圖，在一些桌面虛擬化產品裡，預設採用的是QEMU/KVM方式對磁碟，網絡卡裝置進行虛擬化

對於大多數採用開源KVM方案的桌面虛擬化產品來說，通過在客戶機作業系統裡安裝增強工具，可以將io裝置的虛擬化方式改成virtio，從而增強效能

下面分別介紹下這兩種虛擬化方式的實現原理：

（一）利用QEMU來模擬IO裝置

QEMU以純軟體的方式來模擬IO裝置的執行

當客戶機的裝置驅動程式發起IO請求時，核心KVM模組會截獲這次請求，然後經過翻譯將本次請求放到記憶體裡的IO共享頁面，並通知客戶機QEMU模擬程序（客戶虛擬機器也是底層Linux系統裡的一個使用者空間程序QEMU-KVM，這是KVM裡很重要的一個概念）來處理本次請求，這裡KVM模組起的是一個傳達的作用，傳統的在物理機上執行的程式好比你在餐廳裡吃飯，你直接通過服務員（驅動）告訴廚師（硬體）你要吃什麼菜，而虛擬化環境裡就像在網上叫外賣，你無需知道餐廳在哪，你（客戶虛擬機器）只需要通知外賣平臺（KVM模組）你要吃某個菜（執行一次IO操作），剩下的事情就是由外賣平臺去與具體的餐廳協調，保證按時將外賣送到你手上。

從技術的角度來說，核心KVM模組是一個程序，QEMU模擬程式也是一個程序，IO請求的翻譯和傳達實際上是進行了一次程序間通訊（IPC），而實現方式是由KVM模組將攔截的請求放到記憶體裡的IO共享頁，共享記憶體（shared memory）正是IPC最快的實現方式，當一個程序寫共享記憶體，其他程序都立即知道寫入的內容，而且可以訪問。

QEMU模擬程式獲知了本次IO操作的具體資訊後，交由硬體模擬程式碼（Emulation Code）來執行本次IO操作，通過Linux核心裡的物理硬體驅動，來呼叫物理IO裝置完成IO操作，並返回所期望得到的值，再將這個值放回IO共享頁，通知KVM模組讀取這個值，並轉交給客戶虛擬機器上的IO裝置驅動。

通過QEMU模擬IO裝置，優點是可以模擬出各種各樣的硬體，包括一些老的，不常用的裝置，相容性比較廣泛，而且不用修改客戶機作業系統，就可以讓模擬裝置在客戶機上正常工作。但缺點也很大，每次IO路徑太長，大量程序間通訊有可能帶來的阻塞（雖然阻塞不分配CPU時間片，但也要進行執行緒的掛起和喚醒），而且所有的IO指令都是敏感指令也是特權指令（Ring1），也會帶來VMExit，VMEntry的開銷，且IO返還值的傳遞也要進行多次資料複製，故效能較差。

（二）VirtIO半虛擬化IO裝置

VirtIO是執行在Hypervisor上的一個抽象的API介面，通過讓客戶機知道自己執行在虛擬化環境裡，進而根據virtio標準與Hypervisor進行協作，從而獲得更好的IO效能。

其基本結構如下圖

其前端驅動frontend是執行在客戶虛擬機器上的驅動程式模組（也就是我們在桌面上安裝的虛擬機器增強工具，裡面包含了如virtio-blk，virtio-net等驅動），而後端處理程式backend是在QEMU裡實現的，這種類似於C/S架構的方式遮蔽了底層裝置驅動之間的差異，虛擬機器中的virtio驅動與QEMU之間通過標準化介面進行通訊，不需要經過複雜的翻譯轉換（而是類似一箇中國人和一個日本人，都用對方能懂的語言比如英語溝通，大家一起去完成某個任務），所以效率較高。

在前後端驅動之間，還定義了兩層資料結構來對通訊進行處理，其中virtio這一層是虛擬佇列介面（佇列最大的特點是FIFO，先提交的請求先執行），每個虛擬機器都有自己的虛擬佇列，這也是IO虛擬化和CPU虛擬化之間的區別，沒有時間片的分配，所有虛擬機器的io請求搶佔現有資源，至於怎麼對IO做Qos控制，還在學習中，不敢妄言，各個廠家的實現方式似乎並不相同，以後有機會再總結。從邏輯上看，虛擬佇列介面就是連線前端驅動和後端處理程式的通道，一個前端驅動可以同時使用若干個虛擬佇列，比如對virtio-net網路驅動同時使用2個虛擬佇列（一個用於傳送，一個用於接受），而virtio-blk塊裝置驅動只需要使用一個虛擬佇列。virtio的下層是virtio-ring的資料結構，這是一個環形緩衝區（又叫迴圈佇列，也是佇列的一種），作用是儲存前端驅動的多次請求，再批量交給後端驅動處理，同時防止佇列溢位（迴圈佇列的特點），通過這種設計約定實現批量處理而不用對客戶機的每個io請求進行一次處理，大大提高了客戶機與Hypervisor層的協作效率。

virtio的半虛擬化驅動方式，有很高的io效能，幾乎和直接跑在硬體上一樣，因此只要可能，使用virtio是高效的選擇，不過其缺點是需要更改客戶機的作業系統，使之知道自己跑在虛擬化環境裡（在一些桌面虛擬化產品裡，是通過在客戶機系統裡安裝虛擬化增強工具來實現的），同時要求客戶虛擬機器和宿主機的Linux核心都支援virtio（好比之前的例子裡，中國人和日本人都得懂英文，不然還是得等翻譯），目前在比較新的Linux（核心版本2.6.24及以上）都支援virtio，所以長遠看通過virtio進行io裝置的虛擬化是必然。