为什么 QEMU 这么复杂

首先我推荐你读一读 A QEMU case study in grappling with software complexity，这是 QEMU 的 maintainer Bonzini 在 KVM forum 2021 上做的一篇报告。

其将复杂度分为两种:

essential complexity
accidental complexity
1. “不完整的过渡”（这一概念受一篇关于GCC维护的论文启发），指的是当引入一种更新、更好的实现方式时，却未能将其一致地应用于整个代码库。
2. 重复逻辑与缺失的抽象

这里我们主要聊聊 essential complexity ，也就是由于 QEMU 所支持的功能极为庞大，导致 QEMU 自身非常的复杂。

QEMU 可以模拟一个完整的机器

那么，一个完整机器有什么呢?

如果你手头有一个 Linux 机器，可以执行 lshw 看看

这是我让 codex 总结了下此时我正在使用的机器的情况:

  - 主板：ASUS TUF GAMING B660-PLUS WIFI D4
  - BIOS：American Megatrends 1620，日期 08/12/2022
  - CPU：Intel 13th Gen Core i9-13900K，24 cores / 32 threads
  - 内存：128 GiB DDR4，4 条 32 GiB Gloway，2400 MHz
  - GPU：
      - NVIDIA GB206 [GeForce RTX 5060 Ti]，driver=nvidia
      - Intel UHD Graphics 770，driver=i915

  - 存储：
      - NVMe Fanxiang S790 4TB：/dev/nvme1n1，driver=nvme
      - NVMe ZHITAI TiPlus7100 1TB：/dev/nvme2n1，当前是 swap，driver=nvme
      - NVMe ZHITAI TiPro7000：PCI 02:00.0，driver=vfio-pci
      - SATA HDD WDC WD20EZBX-00A：/dev/sda，约 2TB，ext4
      - SATA SSD ZHITAI SC001 Act：/dev/sdb，512GB

  - 网络：
      - WiFi：Intel CNVi WiFi，wlan0，driver=iwlwifi，IP 192.168.2.41
      - 有线：Intel I225-V，enp6s0，driver=igc，当前 1G link，IP 10.0.3.0
      - 有线：Realtek RTL8125 2.5GbE，enp5s0，driver=r8169，当前 disabled/link=no

  - USB：
      - Intel xHCI USB 3.2 controller
      - ASUS AURA LED Controller
      - Compx VGN Mouse 2.4G Receiver
      - ROYUAN Gaming keyboard
      - Intel AX201 Bluetooth
      - ASUS ASM107x USB hubs

  - 音频：
      - Intel Alder Lake-S HD Audio，driver=snd_hda_intel
      - NVIDIA HDMI/DP Audio，driver=snd_hda_intel

  - 其他控制器：
      - Intel HECI/MEI：driver=mei_me
      - Intel SMBus：driver=i801_smbus
      - Intel SPI：driver=intel-spi
      - Intel LPSS I2C controllers：driver=intel-lpss

  比较值得注意的是：ZHITAI TiPro7000 这块 NVMe 当前绑定到了 vfio-pci，不是普通 nvme 驱动；Realtek 2.5G 网卡当前是 disabled。

实际上，QEMU 支持以上的所有类型的设备。

这里就不再一一罗列，具体可以看 docs/qemu/qom/options.md 中的后半段。

最后你可以发现，随便搞搞，QEMU 的启动参数极多，单单看 man qemu 完全不够: 由于太过复杂，封装 QEMU 的软件都很多，例如 utm 和 quickemu

ffmpeg 的参数也非常的复杂，以至于有这个网站 https://evanhahn.github.io/ffmpeg-buddy/ 这个项目恰好是 QEMU 作者的另一个的工具

模拟方法众多

CPU 模拟:

无硬件加速 : tcg
硬件加速，对于不同的操作系统，分别支持 kvm Hyper-V whpx

这里说一下，tcg 所代表的二进制翻译就是一个深不见底的领域。其中如下:

加速 capstone 的反汇编
multithread tcg
增加 tb 的命中率
x86 几千条指令如何正确的翻译。

在 Loongarch 上运行微信，看一个订阅文章，然后打一个视频电话其中的复杂性极为夸张:

订阅文章用的是默认浏览器，其中包含了一个 v8 引擎，而 v8 会动态的生成 x86 代码执行，这需要 tcg 动态的将其翻译为 Loongarch 指令
视频通话: 编解码大量使用 simd 指令，如何高效的翻译为 Loongarch 指令

即便是 virtio ，也可以划分为 pci 和 mmio 后端

对于设备模拟也是类似各种，例如 qemu-system-$(uname -m) -chardev help

  ringbuf
  serial
  stdio
  spicevmc
  mux
  pipe
  qemu-vdagent
  hub
  null
  pty
  msmouse
  socket
  spiceport
  vc
  parallel
  dbus
  memory
  udp
  file
  wctablet
  testdev

真的引入复杂度的是云计算中广泛使用的:

nvme
virtio
vhost
vdap
vfio

QEMU 支持多种存储的格式: qemu-img -h 中显示的

Supported formats: blkdebug blklogwrites blkverify bochs cloop compress copy-before-write copy-on-read dmg file ftp ftps host_cdrom host_device http https iscsi iser luks nbd null-aio null-co nvme parallels preallocate qcow qcow2 qed quorum raw replication snapshot-access throttle vdi vhdx vmdk vpc vvfat

虚拟机状态控制

对于虚拟机本身状态的控制，也就是 CPU 状态 + 内存:

snapshot
migrate
savevm
安全 ( 盘加密，可信计算，安全启动，vTPM)
QEMU 热更新，利用 cpr 机制
热迁移
vfio-user
热插拔

对于虚拟机使用的磁盘，需要支持如下功能:

snapshot
ratelimit

各种机制的可组合

QEMU 的强大之处在于，这些前端和后端很多时候可以互相不耦合。例如虚拟机中看到的是 virtio-blk ，但是后端可能是利用 vfio 将 nvme 直通到用户态，然后添加上用户态驱动模拟出来的，具体参考 block/nvme.c

QEMU tcg 模式使用直通设备

我第一次接触直通的时候，我当时正在做二进制翻译相关的东西，我当时对于 VFIO 的原理不了解，只是感觉 tcg 很慢，VFIO 很快，两个东西放在一次有点不协调，不过也想不到为什么他们会不兼容，今天花费了 8 分钟测试了一下，他们两个互相不冲突的。

2025-12-30 最新的 qemu 和 kernel

启动参数:

qemu-system-x86_64 \
	-device virtio-scsi,id=scsi1 \
	-device scsi-hd,drive=virtio-scsi_1,bus=scsi1.0,channel=0,scsi-id=1,lun=0 \
	-drive file=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/img/virtio-scsi_1,if=none,id=virtio-scsi_1 \
	-device megasas-gen2,id=scsi2 \
	-device scsi-hd,drive=megasas-gen2_1,bus=scsi2.0,channel=0,scsi-id=1,lun=0 \
	-drive file=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/img/megasas-gen2_1,if=none,id=megasas-gen2_1 \
	-smp 32,maxcpus=32 \
	-m 3G,slots=8,maxmem=256G \
	-object memory-backend-memfd,id=mem0,size=3G,prealloc=off,share=on \
	-numa node,nodeid=0,memdev=mem0 \
	-drive file=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/img/boot1,format=qcow2,id=boot1,if=none,discard=on,aio=native,cache.direct=on,media=disk \
	-device virtio-blk-pci,drive=boot1,bootindex=1 \
	-kernel /home/martins3/data/kernel/linux-build/arch/x86/boot/bzImage \
	-append '  oops=panic panic=0 nokaslr apparmor=0 selinux=0 preempt=full systemd.unified_cgroup_hierarchy=1  mitigations=off  rcutree.sysrq_rcu=1  crashkernel=512M  loglevel=8 zswap.enabled=0  BOOT_IMAGE=(hd0,gpt2)/vmlinuz-6.14.0-63.fc42.x86_64 root=/dev/mapper/fedora-root ro rd.lvm.lv=fedora/root console=tty0 nokaslr console=ttyS0,9600 earlyprink=serial mitigations=off audit=0 ' \
	-device virtio-net,netdev=vif_s_29_0,mac=52:54:00:00:1d:00,iommu_platform=on,disable-legacy=on \
	-netdev tap,ifname=vif_s_29_0,id=vif_s_29_0,script=no,downscript=no,vhost=on \
	-device virtio-net,netdev=net1 \
	-netdev user,id=net1,hostfwd=tcp::50584-:22 \
	-machine q35,hpet=off,smm=off,cxl=on \
	-chardev socket,id=mon4,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/qmp-no-pretty,server=on,wait=off \
	-mon chardev=mon4,mode=control \
	-chardev socket,id=mon3,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/qmp-shell,server=on,wait=off \
	-mon chardev=mon3,mode=control \
	-chardev socket,id=mon2,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/hmp,server=on,wait=off \
	-mon chardev=mon2 \
	-chardev socket,id=mon1,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/qmp,server=on,wait=off \
	-mon chardev=mon1,mode=control,pretty=on \
	-initrd /home/martins3/data/kernel/initramfs-6.14.0-63.fc42.x86_64.img.linux-build.raw.zst \
	-device virtio-balloon,id=balloon0,deflate-on-oom=true \
	-device ipmi-bmc-sim,id=virt-bmc \
	-device pci-ipmi-kcs,bmc=virt-bmc,id=virt-bmc-pci \
	--accel tcg \
	-device edu \
	-pidfile /home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/pid \
	-vga qxl \
	-vnc :44680,password=off \
	-device virtio-serial \
	-chardev stdio,id=main_char,server=on,wait=off,id=main_char,mux=on \
	-serial chardev:main_char \
	-device virtconsole,chardev=main_char \
	-mon chardev=main_char,mode=readline \
	-chardev pty,mux=on,id=char_pty \
	-device virtconsole,chardev=char_pty \
	-serial chardev:char_pty \
	-chardev socket,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/qga.sock,server=on,wait=off,id=qga0 \
	-device virtserialport,chardev=qga0,name=org.qemu.guest_agent.0 \
	-chardev socket,path=/home/martins3/data/hack/vm/yyds/s/vport.sock,server=on,wait=off,id=vport \
	-device virtserialport,chardev=vport,name=org.qemu.vport.0 \
	-device pcie-root-port,id=root_port_1 \
	-no-user-config \
	-nodefaults \
	-name guest=martins3,debug-threads=on \
	-uuid 6f5ea67d-7934-4351-83f4-b1ce6cb35867 \
	-device virtio-keyboard \
	-usb \
	-device qemu-xhci,p2=8,p3=8,id=usb \
	-device usb-kbd,id=input0,bus=usb.0,port=2 \
	-device usb-tablet,id=input1,bus=usb.0,port=3

🧀  fastfetch
             .',;::::;,'.                 martins3@localhost
         .';:cccccccccccc:;,.             ------------------
      .;cccccccccccccccccccccc;.          OS: Fedora Linux 42 (Server Edition) x84
    .:cccccccccccccccccccccccccc:.        Host: KVM/QEMU Standard PC (Q35 + ICH9,)
  .;ccccccccccccc;.:dddl:.;ccccccc;.      Kernel: Linux 6.18.1-martins3-00001-g34a
 .:ccccccccccccc;OWMKOOXMWd;ccccccc:.     Uptime: 2 mins
q:ccccccccccccc;KMMc;cc;xMMc;ccccccc:.     Packages: 1319 (nix-user)
,cccccccccccccc;MMM.;cc;;WW:;cccccccc,    Shell: zsh 5.9
:cccccccccccccc;MMM.;cccccccccccccccc:    Terminal: /dev/pts/0
:ccccccc;oxOOOo;MMM000k.;cccccccccccc:    CPU: QEMU Virtual version 2.5+ (32) @ 3.00 GHz
cccccc;0MMKxdd:;MMMkddc.;cccccccccccc;    GPU: Red Hat, Inc. QXL paravirtual graphic card
ccccc;XMO';cccc;MMM.;cccccccccccccccc'    Memory: 429.95 MiB / 2.33 GiB (18%)
ccccc;MMo;ccccc;MMW.;ccccccccccccccc;     Swap: 0 B / 2.33 GiB (0%)
ccccc;0MNc.ccc.xMMd;ccccccccccccccc;      Disk (/): 44.49 GiB / 348.93 GiB (13%) - xfs
cccccc;dNMWXXXWM0:;cccccccccccccc:,       Local IP (enp0s6): 10.0.2.15/24
cccccccc;.:odl:.;cccccccccccccc:,.        Locale: en_US.UTF-8
ccccccccccccccccccccccccccccc:'.
:ccccccccccccccccccccccc:;,..
 ':cccccccccccccccc::;,.

NAME            MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sda               8:0    0     8M  0 disk
sdb               8:16   0    10G  0 disk
vda             251:0    0   350G  0 disk
├─vda1          251:1    0     1M  0 part
├─vda2          251:2    0     1G  0 part /boot
└─vda3          251:3    0   349G  0 part
  └─fedora-root 253:0    0   349G  0 lvm  /
zram0           252:0    0   2.3G  0 disk [SWAP]
nullb0          254:0    0   250G  0 disk
nvme0n1         259:0    0 953.9G  0 disk

如何解决

async io 模型 : 解决高效模拟的基础，使用 epoll 机制来监听 Guest 事件，然后提交给后端，当后端完成后，注入通知到 Guest 中
qom / qdev : 如何让成千上万的设备
提供 hmp / qmp : 让管理面在外部，例如 libvirt
qtest / trace 等测试，观测机制
memory region : 设备模拟的基础

还好，总体来说，QEMU 中大多数内容都是对称的，核心机制掌握后，总体来说，难度可控。

qemu 的演化

device drive 模式到 blockdev

 Block device options
     The  QEMU  block device handling options have a long history and have gone through several iterations as the feature
     set and complexity of the block layer have grown. Many online guides to QEMU often reference  older  and  deprecated
     options, which can lead to confusion.

     The  most  explicit  way  to  describe  disks  is to use a combination of -device to specify the hardware device and
     -blockdev to describe the backend. The device defines what the guest sees and the backend describes how QEMU handles
     the data. It is the only guaranteed stable interface for describing block devices and as  such  is  recommended  for
     management tools and scripting.

     The  -drive option combines the device and backend into a single command line option which is a more human friendly.
     There is however no interface stability guarantee although some older board models still need updating to work  with
     the modern blockdev forms.

     Older  options  like  -hda are essentially macros which expand into -drive options for various drive interfaces. The
     original forms bake in a lot of assumptions from the days when QEMU was emulating a legacy PC, they are  not  recom‐
     mended for modern configurations.

-nic netdev 的切换

https://www.qemu.org/2018/05/31/nic-parameter/

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