前文我们对云计算的整体架构进行了介绍，并且了解到云计算的核心是虚拟化技术。这里的虚拟化技术包括计算虚拟化、网络虚拟化和存储虚拟化等技术。以基于Linux操作系统的虚拟化为例，通常在物理机上安装Linux操作系统和虚拟化软件，然后基于虚拟化软件创建虚拟机，并在虚拟机中按照操作系统。简而言之，虚拟化可以认为是通过软件虚拟出CPU、内存和硬盘等硬件，并在其上运行操作系统，具体如下图所示。
目前虚拟化技术的种类很多，主流的如开源的Qemu/KVM、微软的Hyper-V和VMware的vSphere等。其中Qemu/KVM是一种开源的虚拟化技术，很多公有云厂商使用的该技术，比如AWS、阿里和华为等。微软的Hyper-V是一种基于Windows操作系统的虚拟化技术，主要应用微软云当中。vSphere是一种商用闭源的虚拟化技术，主要用在VMware的产品中。
上述虚拟化技术当中，最耳熟能详的就是Qemu/KVM技术了，需要知道的是Qemu和KVM是两个不同的概念。KVM的全称是Kernel-based Virtual Machine，也就是基于内核的虚拟机，它本身只是一个内核模块，实现CPU和内存的虚拟化。Qemu是一个完整的虚拟化软件，可以通过软件实现CPU、内存和IO设备的虚拟化。由于最早Qemu基于软件实现CPU和内存的虚拟化，其性能损失比较严重。但现在Qemu实现了对KVM的融合，CPU和内存的虚拟化借助KVM，而IO设备的虚拟化基于virtio。实际上，对于KVM而言，Qemu更新是一个管理工具，通过Qemu实现虚拟机的创建和销毁等管理功能。
除了基于Qemu实现对KVM虚拟机的管理外，还有很多其它的工具，如libvirt和virt-manager等。其中libvirt是一个命令行和API的管理工具，而virt-manager则是一个图形化的虚拟机管理工具。上述软件之间的关系如下图所示。接下来我们简要介绍一下各个组件的基本功能。
KVM：前文已经简要介绍过这个组件，KVM其实就是Linux内核的一个模块，它可以利用硬件的虚拟化特性实现高效的CPU和内存虚拟化。
Qemu: 最早的Qemu通过软件的方式实现了计算机硬件的虚拟化，由于采用纯软件的虚拟化，其效率要低很多。目前的Qemu实现了对KVM的支持，并通过一个工具集提供了丰富的功能，如qemu-system-x86_64和qemu-img等。
libvirt: 用于管理虚拟化平台的工具集合，libvirt不仅仅可以管理Qemu-KVM虚拟化平台，还可以管理Xen、VMWare ESX和LXC等虚拟化平台。libvirt包含一个守护进程libvirtd和若干命令行工具，以及API。
virt-manager：一个基于libvirt的图形化虚拟机管理界面，类似Oracle的VirtualBox和VMWare的WorkStation。
Virsh CLI: 由于libvirt默认采用API的方式提供虚拟机的管理功能，使用起来不太方便。Virsh命令集提供了一套命令行的工具实现对虚拟机的管理，例如virsh install用于创建虚拟机，virsh list用于查看虚拟机列表等。
virt-view：virt-view是一个展示虚拟机图形化界面的工具，可以通过VNC和SPICE协议建立与虚拟机的连接，并展示虚拟机的图形化界面。
由于Qemu/KVM是开源免费的，我们可以基于Ubuntu系统快速的部署一个支持KVM虚拟化的环境，并创建一个虚拟机。我们只需要执行如下几步就可以安装一个虚拟机。
安装Qemu/KVM软件
我们的测试环境依然基于Ubuntu 22.04，通过apt命令可以安装所有需要的软件，命令具体如下所示。安装完软件之后需要重启一下（sudo reboot）。
sudo apt install -y qemu qemu-kvm libvirt-daemon libvirt-clients bridge-utils virt-manager cloud-image-utils libguestfs-tools |
下载操作系统镜像
当然，我们不是创建一个虚拟机就完事了，还要给这个虚拟机安装一个操作系统。我们可以给虚拟机安装任何操作系统，为了方便学习，我们依然安装一个Ubuntu操作系统，为了区别，虚拟机中版本为18.04。
wget https://cloud-images.ubuntu.com/releases/bionic/release/ubuntu-18.04-server-cloudimg-amd64.img |
设置虚拟机登录密码
我们采用完全命令行的方式安装虚拟机，这里采用配置文件的方式来设置虚拟机的密码和其它登录信息。Qemu支持将一个文件挂载到虚拟机当中，我们通过这种方式来设置初始密码。
cat >user-data.txt < <EOF< span> </EOF<> #cloud-config password: 111111 chpasswd: { expire: False } ssh_pwauth: True EOF |
创建一个镜像文件
将密码文件user-data.txt转换为一个镜像文件user-data.img。
cloud-localds user-data.img user-data.txt |
创建一个启动盘
接下来我们需要创建一个启动盘，我们可以通过qemu的镜像工具qemu-img来创建一个启动镜像，具体命令如下。使用这个命令，我们通过下载的Ubuntu镜像创建了一个qcow2格式的镜像，大小是20G。
qemu-img create -b ubuntu-18.04-server-cloudimg-amd64.img -F qcow2 -f qcow2 ubuntu-vm-disk.qcow2 20G |
创建虚拟机
完成上述资源的创建，我们就具备了创建虚拟机的条件了。基于命令行，我们可以通过virsh-install创建一个虚拟机。如下是一个创建虚拟机的命令行实例，具体含义都比较明确，比如虚拟机名称、内存大小、虚拟CPU数量和使用的镜像等。其中选项graphics用于设置是否基于图形化的方式运行虚拟机，本实例为非图形化方式，也就是命令行方式运行虚拟机。
virt-install --name ubuntu-vm \ --virt-type kvm --memory 1024 --vcpus 1 \ --boot hd,menu=on \ --disk path=ubuntu-vm-disk.qcow2,device=disk \ --disk path=user-data.img,format=raw \ --graphics none \ --os-type Linux --os-variant ubuntu18.04 |
如果没有什么问题就可以在终端看到虚拟机的启动过程，具体如下所示。最终会显示虚拟机登录的提示信息。
如下是到最后显示的登录提示信息及登录后显示的信息。登录是需要输入用户名ubuntu及密码。密码是文件user-data.txt中设置的内容，本文为111111。
至此，一个虚拟机已经成功创建并运行起来了。可以看到通过qemu创建一个虚拟机非常简单。登录进去以后我们可以通过lsblk工具看一下虚拟机中的硬盘，可以看到有vda和vdb两个硬盘，其中vda是系统盘，大小是5GB；vdb大小是336KB，这个是我们前面创建的用于存储密码的硬盘。
大家可能在疑惑，为什么没有虚拟机安装的过程？这是因为前面经过转换的镜像其实已经是一个安装完成的系统盘了。我们可以基于iso格式的镜像创建一个虚拟机，具体命令如下。
# virt-install --name=ubuntu-vm2 \ --vcpus=1 \ --memory=1024 \ --cdrom=/tmp/debian-9.0.0-amd64-netinst.iso \ --disk size=5 \ --os-variant=debian8 |
此时会弹出来一个图形化的安装界面，这个图形界面就是virt-viewer，具体如下所示。可以看出这就是Ubuntu的安装向导。
另外，如果你的Linux操作系统是桌面版的，也就是有GUI界面，那么可以通过其中的virt-manager来创建虚拟机。使用virt-manager的方法就更简单了，跟使用Oracle的VirtualBox类似，如下是其界面。
登录与退出虚拟机
对于命令行的虚拟机，我们可以通过快捷键Ctrl + ]退出。并通过virsh命令重新进入虚拟机，具体命令如下所示。
virsh --connect qemu:///system console ubuntu-vm |
对于图形化的虚拟机，可以通过virt-viewer连接，具体命令如下。
virt-viewer --connect qemu:///system --wait linuxconfig-vm2 |
介绍了这么多虚拟机的知识，其实都是为了后面介绍存储相关的内容做准备。接下来，我们回到正题，虚拟机的存储路径到底是怎样的。
通过前文我们知道虚拟机中的硬盘名称分别是vda和vdb，而不是我们在物理机上看到的sda和sdb等名称。这是因为基于Qemu虚拟机操作系统中硬盘的驱动程序与物理机中驱动程序不同。关于驱动程序方面的内容，后文会详述，本节我们先聚焦在架构层面。
通过前面的安装过程我们也知道，虚拟机中的硬盘vda和vdb在宿主机上实际就是两个文件。如果我们把本节关于虚拟机的图放大，可以得到如下图所示的内容，这里展示了虚拟机块设备与宿主机之间数据传输的更多细节。
虚拟机也称为客户机，其上的操作系统称为客户机操作系统。基于我们前面部署的虚拟机，该虚拟机中块设备vd*是基于虚拟机特有块设备驱动（virio_blk.c）生成的，这个驱动称为前端驱动（front-end driver）。当虚拟机中的应用（APP）通过文件系统向硬盘发送写请求时，硬盘驱动会将数据放入一个环形缓冲区，同时通过PCI配置空间通知Qemu接收数据。在Qemu端也有对应的驱动，称为后端驱动（back-end driver），它接到通知后将环形缓冲区中的数据取出，并进行后续的操作。
Qemu支持多种不同类型的后端驱动，本文中的虚拟机硬盘基于文件实现。实际上，Qemu虚拟机可以支持如Ceph、iSCSI、NFS和GlusterFS等不同类型的后端驱动。这些后端驱动将数据持久化到不同的位置。
以文件驱动为例，文件驱动本质是对操作系统API的封装。当Qemu将数据从环形队列取出后调用文件驱动（file-posix.c）的接口，文件驱动调用POSIX兼容的API将数据传入宿主机的文件系统中，最终持久化到宿主机的硬盘当中。
本节我们首先大家了一个虚拟化平台，并创建了一个虚拟机。最后，我们简要的介绍了一下IO路径发生的变化。接下来我们将深入到客户机的驱动代码和宿主机的相关代码，介绍一下IO是如何被处理的。
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