1、IO虛擬化的分類
（1）全虛擬化：宿主機截獲客戶機對I/O設備的訪問請求，然后通過軟件模擬真實的硬件。這種方式對客戶機而言非常透明，無需考慮底層硬件的情況，不需要修改操作系統。
QEMU模擬I/O的情況下，當客戶機中的設備驅動程序（device driver）發起I/O操作請求之時，KVM模塊中的I/O操作捕獲代碼會攔截這次I/O請求，然后經過處理后將本次I/O請求的信息存放到I/O共享頁，並通知用戶控件的QEMU程序。QEMU模擬程序獲得I/O操作的具體信息之后，交由硬件模擬代碼來模擬出本次的I/O操作，完成之后，將結果放回到I/O共享頁，並通知KVM模塊中的I/O操作捕獲代碼。最后，由KVM模塊中的捕獲代碼讀取I/O共享頁中的操作結果，並把結果返回到客戶機中。當然，這個操作過程中客戶機作為一個QEMU進程在等待I/O時也可能被阻塞。
另外，當客戶機通過DMA（Direct Memory Access）【DMA外接設備可以不用CPU干預，直接把數據傳輸到內存的技術，盡量減少CPU干預的輸入/輸出操作方式。（使用連續物理內存，kmalloc分配）。否則外設一有數據就要中斷通知CPU，CPU去讀，如果頻繁就時間浪費在處理中斷，IO速度慢】訪問大塊I/O之時，QEMU模擬程序將不會把操作結果放到I/O共享頁中，而是通過內存映射的方式將結果直接寫到客戶機的內存中去，然后通過KVM模塊告訴客戶機DMA操作已經完成。
- 優點是可以模擬出各種各樣的硬件設備；
- 缺點是每次 I/O 操作的路徑比較長，需要多次上下文切換、多次數據復制和VM-Entry/Exit，性能較差。
（2）半虛擬化：通過前端驅動/后端驅動模擬實現I/O虛擬化。客戶機中的驅動程序virtio-blk/net/pci/scsi為前端，宿主機提供的與客戶機通信的驅動程序vhost為后端。前后端驅動通過 virtio-ring 直接通信，繞過了經過 KVM 內核模塊的過程，達到提高 I/O 性能的目的。
- 優點快。vring實現了環形緩沖區（ring buffer），用於保存前端驅動和后端處理程序執行的信息，並且它可以一次性保存前端驅動的多次I/O請求，並且交由后端去動去批量處理，最后實際調用宿主機中設備驅動實現物理上的I/O操作，這樣做就可以根據約定實現批量處理而不是客戶機中每次I/O請求都需要處理一次，從而提高客戶機與hypervisor信息交換的效率。
- 缺點：需要客戶機中virtio相關驅動的支持（較老的系統默認沒有自帶這些驅動，Windows系統中需要額外安裝virtio驅動），故兼容性較差，而且I/O頻繁時的CPU使用率較高
（3）IO透傳：直接把物理設備分配給虛擬機使用，這種方式需要硬件平台具備I/O透傳技術，例如Intel VT-d技術。它能獲得近乎本地的性能，並且CPU開銷不高。
2、kvm和qemu的交互
Qemu創建虛擬機進入kvm：main函數通過調用kvm_init 和 machine->init來初始化kvm. 其中, machine->init會創建vcpu, 用一個線程去模擬vcpu, 該線程執行的函數為qemu_kvm_cpu_thread_fn, 並且該線程最終kvm_cpu_exec,該函數調用kvm_vcpu_ioctl切換到kvm中。
Kvm運行並因io退出：在kvm中看到參數KVM_RUN，最后調用vcpu_enter_guest，然后 vmx_vcpu_run設置好寄存器狀態之后調用VM_LAUNCH或者VM_RESUME進入guest vm。如果vm進行IO操作需要訪問設備時,就會觸發vm exit 返回到vmx_vcpu_run, vmx保存好vmcs並且記錄下VM_EXIT_REASON后返回到調用該函數的vcpu_enter_guest, 在vcpu_enter_guest函數末尾調用了r = kvm_x86_ops->handle_exit(vcpu), 該函數對應於vmx_handle_exit函數, vmx_handle_exit 調用kvm_vmx_exit_handlers[exit_reason](vcpu),該語句根據exit_reason調用不同的函數。io操作則是handle_io把數據填充到vcpu->run，就一路return到kvm_vcpu_ioctl，就ioctl返回到qemu的kvm_cpu_exec中。
從kvm返回到qemu后的處理：Qemu在kvm_cpu_exec中會看kvm_run的run->exit_reason如果是KVM_EXIT_IO就進入kvm_handle_io里處理。 當qemu完成IO操作后,會在kvm_cpu_exec函數的循環中,調用kvm_vcpu_ioctl重新進入kvm。
kvm_run，這是用於vcpu和應用層的程序（典型如qemu)通信的一個結構，user space的 程序通過KVM__VCPU_MMAP_SIZE這個ioctl得到大小，然后映射到用戶空間。
3、kvm的io處理流程
static int handle_io(struct kvm_vcpu *vcpu) { unsigned long exit_qualification; int size, in, string; unsigned port; exit_qualification = vmcs_readl(EXIT_QUALIFICATION); //獲取exit qualification string = (exit_qualification & 16) != 0; //判斷是否為string io (ins, outs) in = (exit_qualification & 8) != 0; //判斷io方向，是in 還是out ++vcpu->stat.io_exits; if (string || in) //如果是輸入類的指令，或者是string io，就進入emulator處理 return emulate_instruction(vcpu, 0) == EMULATE_DONE; port = exit_qualification >> 16; //得到端口號 size = (exit_qualification & 7) + 1; //大小 skip_emulated_instruction(vcpu); //跳過這個指令 return kvm_fast_pio_out(vcpu, size, port); //進行out操作 }
Guest執行io指令 -> 發生vmexit-> 返回qemu -> 處理io
1、out指令虛擬：虛擬單個out指令，在KVM中可以直接把out的數據返回給qemu，qemu完成out操作。
流程：KVM的handle_io->kvm_fast_pio_out->emulator_pio_out_emulated后面是vcpu->arch.pio.count = 0函數中非string類型的 out操作可以一步完成，所以從qemu處理完返回kvm后不需要再進入emulator。在emulator_pio_out_emulated中，將IO數據memcpy到kvm和qemu共享buffer中，然后emulator_pio_in_out，將相應數據保存到kvm_run中就返回到qemu的kvm_cpu_exec的switch看run->exit_reason，如果是KVM_EXIT_IO則進入kvm_handle_io中和設備交互。
2、String或in指令虛擬：如果是in指令，qemu只能把得到的數據寫到kvm_run中，kvm必須在下一次vmentry的時候，將qemu得到的數據放到相應的位置，所以，在handle_io中，如果是in或者string指令，沒有調用skip_emulated_instruction，這樣，在qemu完成in或者一次out之后，還會在同樣的地方發生vmexit，這樣再由emulator完成相應的處理，針對string類型的指令，emulator會進行解碼等操作，確認io的次數和源操作數、目的操作數等。
流程：handle_io->emulate_instruction->x86_emulate_instruction對指令的decode，在過程中會調用到em_in和em_out（這兩個函數最后調用的emulator_pio_in_emulated中先通過和上面PIO一樣的函數emulator_pio_in_out，正確返回表明qemu已經將模擬出的數據返回到參數val了，則可直接memcpy完成具體的將從qemu中得到的數據寫到正確位置vcpu->arch.pio_data），設置如果是out，下次到KVM時直接進入emulator，如果是in，注冊vcpu->arch.complete_userspace_io = complete_emulated_pio;需要在下次qemu進入kvm的時候，完成io，實際上就是將qemu得到的數據寫到正確的位置。下次進入kvm，如果要完成in指令，會在函數kvm_arch_vcpu_ioctl_run中調用注冊的complete_emulated_pio會再次調用emulate_instruction將數據寫到正確位置（這次不用解碼，而是直接em_in）。