CN115357340A - 一种提高虚拟设备性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟化技术领域，且公开了一种提高虚拟设备性能的装置，包括：虚拟机单元，其包括虚拟机，虚拟机由内置的应用程序以及虚拟显卡驱动组成，虚拟显卡驱动输入端对应用程序发送的图像渲染请求进行接受；宿主机单元，其包括宿主机，宿主机由内置的虚拟显卡、UI模块以及虚拟显示器组成，虚拟显卡处理虚拟显卡驱动整合的图像渲染请求，UI模块包括图像更新定时器；宿主机单元，还包括图像更新模块，图像更新模块连接于虚拟显示器。本发明的目的在于通过提供一种新的装置和方法，来解决QEMU中图像更新定时器的耗时问题，并以此来提高虚拟设备的性能以及定时器模块的准确度，提高虚拟机整体的稳定性和可靠性。

Description

一种提高虚拟设备性能的装置和方法

技术领域

本发明涉及虚拟化技术领域，更具体地说，本发明涉及一种提高虚拟设备性能的装置和方法。

背景技术

当前，虚拟化技术已经变得十分流行并被广泛应用，且技术已经十分成熟，其性能也与物理机接近。但对于设备的虚拟化，目前还有很大的进步空间，部分虚拟设备的功能和性能与物理设备相比，仍存在较大差距。目前，中国发明专利“一种虚拟机性能优化的方法和设备”(专利号：CN111240797A)，该发明主要依靠物理机NUMA绑定关系来进行优化，相当于是优化虚拟机的运行环境和资源配置，未能深入到虚拟机内部的实现中，未能对各虚拟设备从实现原理上进行优化，因而提升空间有限。中国发明专利“虚拟机中的组播性能优化方法、系统、装置及存储介质”(专利号：CN113259142B)，该发明只是专注于虚拟网络中的组播部分，未能对虚拟机的其它类型的设备进行优化，其方法不具备通用性，无法应用到其它虚拟设备的优化中，更无法整体提升各虚拟设备的性能。中国发明专利“一种kvm的网络性能优化方法”(专利号：CN106789337B)，该发明只是专注于虚拟网络部分的优化，且与IntelVT-d技术深度绑定，不具备通用性，无法应用到其它虚拟设备中。

目前，在现有技术中，为了提高虚拟设备的性能，首先需要对虚拟设备的实现者QEMU进行分析，QEMU主要基于单线程实现，其主线程负责循环处理各种虚拟设备事件和定时器事件，核心逻辑可参照说明书附图4，显然，在这样的设计下，当定时器事件的处理耗时过长时，会导致设备事件不能及时处理，从而影响虚拟设备的响应速度，并最终导致性能的降低。

其中，在QEMU的UI模块(负责实现虚拟机的用户界面)中，便存在这样一个比较耗时的定时器，即图像更新定时器。它主要负责定期将虚拟机经虚拟显卡输出的桌面图像更新到SPICE服务器、VNC服务器等虚拟显示器中。为更加详细的描述该定时器的功能和影响，我们需要结合虚拟机的图像数据流进行分析，参考说明书附图3。

虚拟机的桌面图像从生成、传输，并最终展示给用户的典型过程，具体可分为如下步骤：

1.虚拟机内的应用程序(包括窗口管理器、用户应用等)发送图像渲染请求至虚拟显卡驱动；

2.虚拟显卡驱动将渲染请求整合后转发至虚拟显卡(由QEMU创建)；

3.虚拟显卡处理各个渲染请求，并生成最终的桌面图像；

4.QEMU UI模块提前创建好图像更新定时器，并利用定时器定期将虚拟显卡输出的桌面图像转发至SPICE、VNC服务器等虚拟显示器。

5.SPICE、VNC服务器分别通过SPICE、VNC协议将桌面图像传输给SPICE、VNC客户端；

6.SPICE、VNC客户端接收桌面图像，并展示给用户。

目前，随着显示器流行分辨率的不断增大，导致上述桌面图像的数据量也越来越大。而在步骤4中，图像更新定时器便需要不停的对大数据量的桌面图像进行比较和拷贝。众所周知，大规模的内存比较和拷贝是很耗时的，经测试，在鲲鹏服务器上，当虚拟机的分辨率设置为1024×768时，上述图像更新定时器的耗时便可达1毫秒以上。

再参考说明书附图3，此处我们再次结合QEMU主线程的逻辑进行分析，可知每当图像定时器开始工作时，都将引发以下问题(以图像更新定时器耗时1毫秒为例)：

1.导致期间已产生的设备事件至少被推迟了1毫秒处理，大大降低了各虚拟设备的响应速度，引发性能低下的问题。

2.导致期间已超时的其它定时器至少被推迟1毫秒处理，这将有两个方面的影响：对于超时时间本身就小于1毫秒的定时器，其定时功能基本失效；对于超时时间大于1毫秒的定时器，其准确度被大大降低。而定时器模块作为QEMU的核心基础模块，很多关键功能都与其密切相关，故定时器模块的异常必定会影响到QEMU相关功能的正常运行，引发稳定性和可靠性方面的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种提高虚拟设备性能的装置和方法，该方法通过在QEMU中引入新的图像更新模块，用于代替图像更新定时器进行桌面图像的比较和拷贝。图像更新模块工作于新的独立线程中，与主线程并行运行，二者之间通过图像更新信号保持状态的同步。

如图1-4所示，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高虚拟设备性能的装置，包括：

虚拟机单元，其包括虚拟机，虚拟机由内置的应用程序以及虚拟显卡驱动组成，虚拟显卡驱动输入端对应用程序发送的图像渲染请求进行接受；

宿主机单元，其包括宿主机，宿主机由内置的虚拟显卡、UI模块以及虚拟显示器组成，虚拟显卡处理虚拟显卡驱动整合的图像渲染请求，UI模块包括图像更新定时器；

宿主机单元，还包括图像更新模块，图像更新模块连接于虚拟显示器，且图像更新模块将虚拟显卡处理的桌面图像传递至虚拟显示器；

用户端，其由SPICE客户端和VNC客户端组成，并连接虚拟显示器对处理的桌面图像进行接收。

在一个优选地实施方式中，所述虚拟机内的应用程序包括窗口管理器、用户应用。

在一个优选地实施方式中，虚拟显示器为SPICE服务器、VNC服务器。

在一个优选地实施方式中，所述图像更新模块定期将虚拟显卡输出的桌面图像转发至SPICE、VNC服务器虚拟显示器。

在一个优选地实施方式中，所述图像更新模块的具体内容包括将虚拟显卡当前的输出图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域，所述图像更新模块的具体内容还包括将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器。

在一个优选地实施方式中，所述SPICE服务器、VNC服务器分别内置SPICE协议、VNC协议，SPICE服务器与SPICE客户端之间通过SPICE协议进行通信，VNC服务器与VNC客户端之间通过VNC协议进行通信。

一种提高虚拟设备性能的方法，包括以下步骤：

S1、主线程进行初始化，创建并初始化图像更新模块；

S2、主线程处理已发生的虚拟设备的按键事件、虚拟显卡的渲染请求；

S3、主线程处理处理图像更新定时器的超时事件以及其它定时器的超时事件，完成后进入步骤S2。

在一个优选地实施方式中，所述步骤S3中的主线程处理图像更新定时器的超时事件，发送图像更新信号给图像更新模块。

在一个优选地实施方式中，所述图像更新模块处理图像更新信号的步骤为：

(1)、图像更新模块等待并接收图像更新信号；

(2)、图像更新模块将虚拟显卡当前输出的桌面图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域；

(3)、图像更新模块将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器，然后进入步骤(1)。

本发明的改进创新技术点所在：

本发明通过新增了图像更新模块用作接收图像更新定时器发来的图像更新信号，并从虚拟显卡读取桌面图像进行差异比较，再将差异部分更新至各个虚拟显示器；与此同时还优化了图像更新定时器，通过引入专门的图像更新模块后，在图像更新定时器超时后只需要简单的发送信号给图像更新模块即可，降低负荷并提高了QEMU主线程的执行效率，实现性能优化。

基于上述创新技术点，本发明具有如下技术效果和优点：

1、提高了QEMU中设备事件处理的及时性，从而提升了各个虚拟设备的响应速度，并最终提高了各虚拟设备的性能。例如，对于虚拟显卡，则体现为渲染命令可以更加快速的执行，画面更加流畅，帧率提高等；对于虚拟键盘和鼠标等，则体现为按键响应和光标移动更加及时，用户的输入延时降低，体验更加流畅等。

2、提高了QEMU中定时器模块的准确度，进而提高了QEMU中其它涉及到定时器的功能模块的稳定性，并最终提高了虚拟机整体的稳定性和可靠性。

3、未破坏QEMU内部的关键逻辑，保持了软件的良好兼容性；

附图说明

图1为本发明的QEMU主线程和图像更新模块的流程示意图。

图2为本发明的虚拟机的图像数据流示意图。

图3为本发明的QEMU主线程的流程示意图。

图4为传统的QEMU主线程的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示的，一种提高虚拟设备性能的装置，包括：

虚拟机单元，其包括虚拟机，虚拟机由内置的应用程序以及虚拟显卡驱动组成，虚拟显卡驱动输入端对应用程序发送的图像渲染请求进行接受；

宿主机单元，其包括宿主机，宿主机由内置的虚拟显卡、UI模块以及虚拟显示器组成，虚拟显卡处理虚拟显卡驱动整合的图像渲染请求，UI模块包括图像更新定时器；

宿主机单元，还包括图像更新模块，图像更新模块连接于虚拟显示器，且图像更新模块将虚拟显卡处理的桌面图像传递至虚拟显示器；

用户端，其由SPICE客户端和VNC客户端组成，并连接虚拟显示器对处理的桌面图像进行接收。

进一步的，虚拟机内的应用程序包括窗口管理器、用户应用。虚拟显示器为SPICE服务器、VNC服务器。图像更新模块定期将虚拟显卡输出的桌面图像转发至SPICE、VNC服务器虚拟显示器。图像更新模块的具体内容包括将虚拟显卡当前的输出图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域，图像更新模块的具体内容还包括将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器。SPICE服务器、VNC服务器分别内置SPICE协议、VNC协议，SPICE服务器与SPICE客户端之间通过SPICE协议进行通信，VNC服务器与VNC客户端之间通过VNC协议进行通信。

一种提高虚拟设备性能的方法，包括以下步骤：

S1、主线程进行初始化，创建并初始化图像更新模块；

S2、主线程处理已发生的虚拟设备的渲染请求，虚拟设备有很多种，包括但不限于虚拟磁盘、虚拟鼠标、虚拟显示器、虚拟显卡、虚拟网卡等；

S3、主线程处理处理图像更新定时器的超时事件以及其它定时器的超时事件，完成后进入步骤S2。

进一步的，步骤S3中的主线程处理图像更新定时器的超时事件，发送图像更新信号给图像更新模块。

进一步的，图像更新模块处理图像更新信号的步骤为：

(1)、图像更新模块等待并接收图像更新信号；

(2)、图像更新模块将虚拟显卡当前输出的桌面图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域；

(3)、图像更新模块将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器，然后进入步骤(1)。

本发明在QEMU中引入了新的图像更新模块，用于代替图像更新定时器进行桌面图像的比较和拷贝。图像更新模块位于新的独立线程中，与主线程并行运行，二者之间通过图像更新信号保持状态的同步。经此设计后，当主线程处理图像更新定时器的超时事件时，不再需要执行费时的图像比较和拷贝操作，而是简单的发送一个图像更新信号给图像更新模块即可，图像更新模块收到信号后，便代替图像更新定时器开始图像的比较和拷贝。

具体过程可参考说明书附图1，此处将本方法的步骤分为“原主线程”和“新增图像更新模块”两个部分，并分别进行描述：

(一)原主线程部分，其步骤如下：

1.主线程进行初始化。其中包括创建并初始化图像更新模块；

2.主线程处理已发生的设备事件，如虚拟键盘的按键事件、虚拟显卡的渲染请求等；

3.主线程处理定时器事件，完成后进入步骤2。其中，处理过程分两种情况进行说明：

(1)处理图像更新定时器的超时事件：即发送图像更新信号给图像更新模块即可，无需再进行费时的图像比较和拷贝。

(2)处理其它定时器的超时事件；

(二)新增图像更新模块部分，其步骤如下：

1.图像更新模块等待并接收图像更新信号；

2.图像更新模块将虚拟显卡当前输出的桌面图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域；

3.图像更新模块将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器等，然后进入步骤1。

通过以上步骤后，即可将图像更新定时器的工作负荷转移到图像更新模块中，从而大大降低图像更新定时器的耗时，提高期间设备事件处理的及时性，进而提高虚拟设备的响应速度，并最终提高其综合性能。

同时，该方法也可提高QEMU定时器的准确度，进而提高了QEMU中其它涉及到定时器的功能模块的稳定性，并最终提高了虚拟机整体的稳定性和可靠性。

综上，本发明的目的在于通过提供一种新的装置和方法，来解决QEMU中图像更新定时器的耗时问题，并以此来提高虚拟设备的性能以及定时器模块的准确度，提高虚拟机整体的稳定性和可靠性。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于，包括：

虚拟机单元，其包括虚拟机，虚拟机由内置的应用程序以及虚拟显卡驱动组成，虚拟显卡驱动输入端对应用程序发送的图像渲染请求进行接受；

宿主机单元，其包括宿主机，宿主机由内置的虚拟显卡、UI模块以及虚拟显示器组成，虚拟显卡处理虚拟显卡驱动整合的图像渲染请求，UI模块包括图像更新定时器；

宿主机单元，还包括图像更新模块，图像更新模块连接于虚拟显示器，且图像更新模块将虚拟显卡处理的桌面图像传递至虚拟显示器；

用户端，其由SPICE客户端和VNC客户端组成，并连接虚拟显示器对处理的桌面图像进行接收。

2.根据权利要求1所述的一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于：所述虚拟机内的应用程序包括窗口管理器、用户应用。

3.根据权利要求2所述的一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于：所述虚拟显示器为SPICE服务器、VNC服务器。

4.根据权利要求3所述的一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于：所述图像更新模块定期将虚拟显卡输出的桌面图像转发至SPICE、VNC服务器虚拟显示器。

5.根据权利要求4所述的一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于：所述图像更新模块的具体内容包括将虚拟显卡当前的输出图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域，所述图像更新模块的具体内容还包括将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器。

6.根据权利要求5所述的一种提高虚拟设备性能的装置，其特征在于：所述SPICE服务器、VNC服务器分别内置SPICE协议、VNC协议，SPICE服务器与SPICE客户端之间通过SPICE协议进行通信，VNC服务器与VNC客户端之间通过VNC协议进行通信。

7.一种提高虚拟设备性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、主线程进行初始化，创建并初始化图像更新模块；

S2、主线程处理已发生的虚拟设备的按键事件、虚拟显卡的渲染请求；

S3、主线程处理图像更新定时器的超时事件以及其它定时器的超时事件，完成后进入步骤S2。

8.根据权利要求7所述的一种提高虚拟设备性能的方法，其特征在于：所述步骤S3中的主线程处理图像更新定时器的超时事件，发送图像更新信号给图像更新模块。

9.根据权利要求8所述的一种提高虚拟设备性能的方法，其特征在于：所述图像更新模块处理图像更新信号的步骤为：

(1)、图像更新模块等待并接收图像更新信号；

(2)、图像更新模块将虚拟显卡当前输出的桌面图像与上一帧进行像素比较，计算出差异区域；

(3)、图像更新模块将输出图像中的差异区域的像素数据更新到SPICE、VNC服务器，然后进入步骤(1)。

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