Linux透過virtio-gpu VirGL給QEMU/KVM虛擬機3D加速，免GPU直通

virglrenderer（VirGL）是Linux的半虛擬化技術，可以配合QEMU/KVM的「virtio-gpu」，讓虛擬機獲得3D加速而不用直通GPU，也不用搞GPU虛擬化。

以下是Collabora公司繪製的原理圖：

用途？這樣一來方便開發者在虛擬機測試桌面環境特效，加強遊戲算繪能力與影片解碼速度，或者給ffmpeg影片編碼加速，甚至能搭配VA-API使用。

即使是在headless的Linux環境，virglrenderer照樣可以給虛擬機啟用3D加速。請參見Andorid Termux和Windows WSL的例子。

1. virglrenderer運作條件

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目前virglrenderer版本1.0.0，QEMU版本8.2.2，Mesa版本24.0.5

• 宿主機系統：建議是GNU/Linux系統。不過專為macOS設計的UTM也有提供virglrenderer。
• 宿主機顯示卡：最好使用Intel或AMD，搭配開源Mesa驅動。Nividia閉源驅動需要另外處理，後面會說明。
• 顯示協定：建議宿主機與虛擬機都使用X11，Wayland支援度尚未成熟。
• 圖形API支援：virglrenderer主要支援的是OpenGL，Vulkan支援尚屬於實驗階段。需要在virgl_test_server手動啟用Venus選項。
• 虛擬機軟體：QEMU。根據QEMU官方文件，virtio-gpu的虛擬顯示卡有多種後端可以選用，virtio-gpu-gl-pci或virtio-gpu-gl型號表示使用virglrenderer當作後端。
• 虛擬機系統：得是Linux才能啟用virglrenderer，大部分GNU/Linux系統的核心和Mesa應該都包含VirGL支援，Android-x86也有VirGL。FreeBSD和ChromeOS支援度未知。Windows和macOS不支援virglrenderer。目前有一個針對Windows虛擬機VirGL驅動的PR，但是處於早期階段。
• 因為virglrenderer是半虛擬化技術，可能無法發揮GPU全速，會有許多性能損失。

2. 在宿主機安裝virglrenderer套件

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大部分Linux發行版都有收virglrenderer套件。不過若要體驗最新功能你得參考官方文件手動編譯新版。

1. 以Ubuntu 24.04為例，先設定Virt Manager與QEMU/KVM

2. 再安裝virglrenderer套件：

sudo apt install libvirglrenderer-dev libvirglrenderer1 virgl-server

3. 隨後應該會隨Virt Manager自己啟動，不需要跑特別指令。

4. 需要跑自訂指令參數的話，使用virgl_server指令啟動伺服器，例如加入Vulkan支援：

virgl_test_server --use-egl-surfaceless --venus &

3. Virt Manager虛擬機啟用VirGL

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此處段落適用Intel與AMD顯示卡用戶，Nvidia閉源驅動用戶請看下一段。

1. 開啟Virt Manager，新增任意Linux虛擬機。

2. 點選編輯硬體，在顯示卡部份選取virtio，並勾選3D加速

   

3. 然後在SPICE協定部份，監聽類型勾選無，再勾選啟用OpenGL

   

4. 開機之後，虛擬機系統應會自動偵測到virglrenderer並啟用3D加速

5. 在虛擬機執行dmesg | grep drm指令查看virgl是否有載入

   

6. 因為VirGL預設僅支援OpenGL，所以要用OpenGL工具來測試。使用glxinfo | grep OpenGL指令可得知，這裡使用了virgl，而非純CPU算繪的llvmpipe。

   

4. Virt Manager虛擬機搭配Nvidia顯示卡啟用VirGL

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測試當下Nvidia閉源驅動版本575，QEMU版本8.2.2。Virt Manager預設是以Root啟動QEMU的，不知道為什麼Nvidia顯示卡不能直接在Virt Manager的界面啟用VirGL，可能是bug。

Nvidia的VirGL似乎更容易造成虛擬機破圖。

1. 點選Virt Manager的檔案 → 新增連接，改成連接到QEMU使用者工作階段

   

2. 在這裡新增虛擬機，使用UEFI開機。

3. 編輯虛擬機XML，去掉所有<video></video>與<graphics></graphics>的區塊，改填入以下內容。/dev/dri/renderD128可以嘗試替換成/dev/dri/renderD129

    <video>
      <model type="virtio" heads="1" primary="yes">
        <acceleration accel3d="yes"/>
      </model>
      <address type="pci" domain="0x0000" bus="0x00" slot="0x01" function="0x0"/>
    </video>
    <graphics type="spice" autoport="yes">
      <listen type="address"/>
    </graphics>
    <graphics type="egl-headless">
      <gl rendernode="/dev/dri/renderD128"/>
    </graphics>

4. 啟動虛擬機。在虛擬機裡面使用glxinfo | grep OpenGL指令確認VirGL是否有成功啟用。

5. 測試VirGL效能

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1. 虛擬機沒有GPU加速的情況下會使用llvmpipe算繪。現在有了virglrenderer，虛擬機內部的軟體應該會自動使用virglrenderer算繪。不過有些桌面環境即使啟用virgl可能還是會lag。

2. 手動指定virgl或virpipe驅動來啟動程式

GALLIUM_DRIVER=virgl firefox

3. 當虛擬機程式在使用3D算繪的時候，宿主機可以觀察到佔用（此圖為intel_gpu_top所顯示）

   

4. 我們可以用glmark2跑分軟體，比較虛擬機內llvmpipe與VirGL的效能。成績通常是VirGL比較好，但如果再跟宿主機的glmark2成績比較的話就會差距非常大，在此能了解到VirGL性能損失多嚴重。

# 強制CPU算繪，應該會印出llvmpipe
GALLIUM_DRIVER=llvmpipe LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=true  glmark2

# 使用VirGL算繪，應該會印出VirGL與宿主機GPU型號
GALLIUM_DRIVER=virgl glmark2

5. 用MPV播放器測試VirGL加速效果，播放高畫質影片解碼效果應當十分明顯，不會出現掉格現象：

GALLIUM_DRIVER=virgl mpv --no-config --vo=gpu --gpu-context=x11egl "影片路徑"

參考資料

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• VirGL — The Mesa 3D Graphics Library latest documentation
• Environment Variables - Mesa documentation
• virtio-gpu - QEMU’s documentation
• Virtualizing GPU Access - Collabora
• Some tips on using virtio-gpu and nvidia drivers. - r/VFIO Reddit
• How to enable VirtIO-GPU Venus on QEMU explained - tm23forest
• 视频编解码(一)之virtio-gpu环境搭建 by jrglinux CSDN