QEMU: что это, как работает и где используется

QEMU (Quick Emulator) — это свободный эмулятор и виртуализатор с открытым исходным кодом. Он умеет запускать операционные системы и программы, написанные для одной архитектуры, на другой — например, ARM-прошивку на x86-ПК или MIPS-бинарник на современном ноутбуке. QEMU лежит в основе огромного количества инфраструктуры: от эмуляции роутеров и отладки ядер до облачных платформ и Android-эмулятора.

QEMU — это программа, которая создаёт виртуальную машину: программную копию компьютера с процессором, памятью, дисками, сетью и периферией. Внутри этой машины можно запустить почти любую ОС.

Ключевая особенность QEMU — он работает в двух принципиально разных режимах:

1. Полная эмуляция (TCG) — QEMU программно переводит инструкции гостевой архитектуры в инструкции хоста. Медленно, но работает везде и для любой архитектуры.
2. Аппаратная виртуализация (KVM, Xen, HVF, WHPX) — QEMU делегирует исполнение кода гостя процессору хоста через гипервизор. Быстро, но только для «родной» архитектуры.

Именно эта двойственность делает QEMU универсальным инструментом: один и тот же бинарник может и эмулировать MIPS-роутер, и запускать Windows 11 на KVM почти на скорости железа.

Архитектура QEMU модульная, и это важно понимать, чтобы ориентироваться в его возможностях.

Основные компоненты

Как происходит исполнение

Гостевая ОС → инструкция гостевой архитектуры
        │
        ├─ если accel=KVM и архитектура совпадает → CPU выполняет напрямую
        │
        └─ если accel=TCG → перевод в IR → генерация кода хоста → кэш → исполнение

TCG переводит не по одной инструкции, а блоками (translation blocks), кэширует результат и инвалидирует кэш при самописном коде (self-modifying code). Именно поэтому полная эмуляция QEMU заметно быстрее наивных интерпретаторов, но всё равно в 5–50 раз медленнее нативной.

virtio — почему QEMU в облаках быстрый

Эмуляция реальных устройств (например, Intel e1000 или IDE-контроллера) дорогая: каждое обращение гостя к регистру устройства вызывает выход в хост (VM exit). Решение — virtio: полувиртуализированные устройства, где гость и хост общаются через общие кольцевые буферы, а выходы в хост минимизированы.

Основные virtio-устройства:

• virtio-blk, virtio-scsi — диски;
• virtio-net — сеть (с vhost-net обработка уходит в ядро);
• virtio-gpu — графика;
• virtio-fs — общий доступ к файлам хоста (замена 9p);
• virtio-balloon — управление памятью;
• virtio-vsock — сокеты между гостем и хостом без сети.

Практически весь облачный стек (OpenStack, Proxmox, oVirt, AWS Nitro во многом) построен вокруг virtio.

1. System emulation (системная эмуляция)

QEMU запускает целую операционную систему с виртуальным железом. Это то, что обычно называют «виртуальной машиной».

qemu-system-x86_64 \
  -enable-kvm \
  -m 4096 \
  -smp 4 \
  -drive file=disk.qcow2,if=virtio \
  -netdev user,id=n0 -device virtio-net-pci,netdev=n0 \
  -cdrom ubuntu.iso

Поддерживаемые архитектуры (список огромный): x86, x86_64, ARM, AArch64, RISC-V, MIPS, PowerPC, s390x, SPARC, LoongArch, HPPA, m68k, SH4, Alpha, MicroBlaze, OpenRISC и другие.

2. User-mode emulation (эмуляция пользовательского режима)

Здесь QEMU запускает отдельный процесс чужой архитектуры, транслируя системные вызовы в вызовы хоста. Это qemu-user (qemu-mipsel, qemu-arm, qemu-aarch64 и т.д.).

qemu-mipsel ./device_client_linux_mipsle my-slug 8080

Именно так в вашей статье про RT-AC51U можно тестировать MIPS-бинарник на x86-ПК, не имея под рукой роутера. User-mode работает через binfmt_misc, что позволяет запускать чужие бинарники «прозрачно», как будто они родные.

Частое заблуждение: «QEMU и KVM — это одно и то же». На самом деле:

• KVM — модуль ядра Linux, дающий доступ к аппаратным расширениям виртуализации (Intel VT-x, AMD-V).
• QEMU — userspace-программа, которая использует KVM как ускоритель.

Без QEMU (или другого VMM вроде crosvm, Firecracker, Cloud Hypervisor) KVM сам по себе бесполезен: он лишь предоставляет API. QEMU — самый функциональный потребитель этого API.

┌─────────────────────────────┐
│  Гостевая ОС                │
├─────────────────────────────┤
│  QEMU (userspace)           │  ← устройства, миграция, QMP
├─────────────────────────────┤
│  /dev/kvm                   │  ← API гипервизора
├─────────────────────────────┤
│  KVM (модуль ядра Linux)    │
├─────────────────────────────┤
│  CPU с VT-x / AMD-V         │
└─────────────────────────────┘

Виртуализация серверов

QEMU — «движок» под Proxmox VE, oVirt, OpenStack (через libvirt и Nova), Incus/LXD (частично). Даже если вы не запускаете qemu-system-* вручную, вы почти наверняка используете QEMU через эти платформы.

Разработка и отладка ядер

QEMU умеет подключаться к GDB и отлаживать ядро Linux, FreeBSD, RTOS. Стандартный сценарий для embedded-разработчика:

qemu-system-arm -M versatilepb -kernel zImage -append "console=ttyAMA0" -s -S
# затем в другом терминале: gdb vmlinux → target remote :1234

Эмуляция встраиваемых устройств

QEMU поддерживает десятки плат: raspi3b, raspi4b, virt (ARM/RISC-V), malta (MIPS), ppce500, sifive_u и т.д. Это позволяет разрабатывать прошивки и драйверы без реального железа.

Для роутеров на MIPS/ARM удобны машины malta и virt, а также готовые образы OpenWrt для QEMU (openwrt-x86-64-generic-ext4-combined.img). Кстати, проверить, как ведёт себя device_client_linux_mipsle на MIPS, можно именно так — через qemu-system-mipsel -M malta.

CI/CD и тестирование

QEMU используется в GitLab CI, GitHub Actions (через qemu-user), Buildkite для кросс-архитектурного тестирования. Docker-образ multiarch/qemu-user-static — самый частый способ запускать ARM-контейнеры на x86.

Эмуляция старых платформ

QEMU умеет запускать DOS, Windows 3.1/95/98, OS/2, старые версии Linux, Solaris, IRIX-подобные системы. Это популярный способ ностальгии и ретро-разработки.

Android Emulator

Официальный Android Emulator — это QEMU с сильно переработанным форком (Google QEMU), с проприетарными ускорителями и графикой.

Безопасность и malware-анализ

QEMU с изоляцией (KVM, -sandbox) используется для анализа вредоносного ПО, эмуляции прошивок (Firmadyne, FAT, EMBA) и fuzzing (AFL++ имеет QEMU-режим).

Linux (Debian/Ubuntu)

sudo apt install qemu-system qemu-user qemu-utils qemu-kvm libvirt-daemon-system virtinst

Fedora / RHEL

sudo dnf install @virtualization qemu-user-static

macOS

brew install qemu

На Apple Silicon QEMU использует ускоритель HVF (Hypervisor.framework) для ARM64-гостей.

Windows

Официальные сборки — на qemu.org/download. Ускоритель — WHPX (Windows Hypervisor Platform) или HAXM (устарел).

qemu-img — утилита для работы с образами. Формат qcow2 — «родной» для QEMU и почти всегда предпочтителен:

• разреженность: файл занимает место только под реальные данные;
• снапшоты: внутренние и внешние;
• сжатие и шифрование (LUKS);
• copy-on-write: мгновенные клоны через backing file.

# создать диск на 20 ГБ
qemu-img create -f qcow2 disk.qcow2 20G

# конвертировать из raw в qcow2
qemu-img convert -f raw -O qcow2 disk.raw disk.qcow2

# увеличить размер
qemu-img resize disk.qcow2 +10G

# информация
qemu-img info disk.qcow2

Снапшоты

# создать
qemu-img snapshot -c before-upgrade disk.qcow2

# список
qemu-img snapshot -l disk.qcow2

# откатить
qemu-img snapshot -a before-upgrade disk.qcow2

Внешние снапшоты (-drive file=disk.qcow2,snapshot=on или через QMP) удобнее для длинных цепочек и бэкапов.

QEMU предлагает несколько сетевых бэкендов.

Пример с tap и мостом:

sudo ip tuntap add dev tap0 mode tap
sudo ip link set tap0 up
sudo ip link set tap0 master br0

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 2G \
  -netdev tap,id=n0,ifname=tap0,script=no,downscript=no \
  -device virtio-net-pci,netdev=n0

• SPICE — протокол удалённого доступа с пробросом USB, аудио, видео. Стандарт для десктопных ВМ.
• VNC — простой и универсальный, встроен в QEMU.
• GTK/SDL — локальное окно.
• virtio-gpu + VirGL — 3D-ускорение в гостя.
• virtio-gpu + Venus/Venus — Vulkan-ускорение (новое, активно развивается).
• GPU passthrough (VFIO) — физическая видеокарта в гостя (игры, ML).

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 4G \
  -vga virtio -display gtk,gl=on \
  -device virtio-vga-gl

HMP — интерактивная консоль (Ctrl+Alt+2 в окне QEMU или -monitor stdio):

(qemu) info status
(qemu) info block
(qemu) savevm snap1

QMP — JSON-протокол для автоматизации. Через него работают libvirt, Proxmox, oVirt, OpenStack. Пример:

qemu-system-x86_64 ... -qmp unix:/tmp/qmp.sock,server,nowait
echo '{"execute":"qmp_capabilities"}{"execute":"query-status"}' | socat - UNIX-CONNECT:/tmp/qmp.sock

libvirt — стандартный слой управления для серверной виртуализации. XML-описание ВМ, virsh, API для Python/Go/Java. Proxmox использует собственный слой (qemu-server), но концептуально близок.

QEMU умеет живую миграцию ВМ между хостами без остановки гостя:

• pre-copy: память копируется на целевой хост, «грязные» страницы досылаются;
• post-copy: старт на целевом хосте сразу, память догружается по требованию;
• multifd: параллельная передача памяти несколькими потоками;
• RDMA-миграция для больших ВМ.

# на источнике
(qemu) migrate -d tcp:target-host:4444

Живая миграция — фундамент отказоустойчивости в облаках и при обслуживании гипервизоров.

QEMU — не самый быстрый и не самый удобный для десктопа, но самый универсальный и лучше всех интегрируется в инфраструктуру.

Официальные ресурсы

• Сайт: qemu.org
• Документация: qemu-project.gitlab.io/qemu
• Wiki: wiki.qemu.org
• Репозиторий: gitlab.com/qemu-project/qemu
• Зеркало на GitHub: github.com/qemu/qemu
• Список рассылки и архивы: lists.nongnu.org/archive/html/qemu-devel
• Баг-трекер: gitlab.com/qemu-project/qemu/-/issues

Смежные проекты

• libvirt: libvirt.org, github.com/libvirt/libvirt
• KVM: linux-kvm.org
• virtio: docs.oasis-open.org/virtio
• QEMU Guest Agent: wiki.qemu.org/Features/QAPI/GuestAgent
• qemu-user-static: github.com/multiarch/qemu-user-static
• Firecracker: firecracker-microvm.github.io, github.com/firecracker-microvm/firecracker
• Cloud Hypervisor: cloudhypervisor.org, github.com/cloud-hypervisor/cloud-hypervisor
• crosvm: crosvm.dev, github.com/google/crosvm
• Proxmox VE: proxmox.com, git.proxmox.com
• oVirt: ovirt.org
• OpenStack Nova: docs.openstack.org/nova

Образы и готовые сборки

• Cloud images (Ubuntu, Debian, Fedora, Alpine): cloud-images.ubuntu.com, cloud.debian.org/images/cloud
• OpenWrt для QEMU: downloads.openwrt.org/releases (x86-64 и armvirt)
• Buildroot / Yocto — сборка своих образов для QEMU
• qemu-efi / OVMF — UEFI-прошивка для гостей: пакет ovmf в дистрибутивах

Обучение и статьи

• Официальный «QEMU documentation»: qemu-project.gitlab.io/qemu/system/index.html
• «Programming virtio» и «Virtio internals» в wiki QEMU
• Книга «Mastering KVM Virtualization» (Amit Shah и др.)
• Блог Stefan Hajnoczi (мейнтейнер QEMU): blog.vmsplice.net
• Доклады с KVM Forum: www.linux-kvm.org/page/KVM_Forum

Инструменты вокруг QEMU

• virt-manager — GUI для libvirt: virt-manager.org
• virt-install / virt-v2v / virt-p2v — из пакета virtinst и libguestfs
• libguestfs — работа с дисками ВМ без запуска: libguestfs.org
• qemu-img — входит в состав QEMU
• qemu-nbd — экспорт образа как NBD-устройства
• guestfish — shell для libguestfs

QEMU — это фундаментальный слой виртуализации и эмуляции с открытым кодом. Он умеет то, чего не умеют проприетарные аналоги: запускать код любой архитектуры на любой другой, отлаживать ядра, эмулировать роутеры и промышленные контроллеры. При этом в паре с KVM он превращается в полноценный гипервизор серверного класса, на котором держатся Proxmox, OpenStack и значительная часть облачной инфраструктуры.

Если вы работаете с embedded, роутерами на OpenWrt или старыми бинарниками (как в случае с MIPS-клиентом dix.su) — QEMU даёт возможность протестировать всё это на обычном ПК, не покупая железо. Если вы администрируете серверы — вы почти наверняка уже используете QEMU, даже если ни разу не запускали его вручную.