Virtio：针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架（2）框架

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Virtio 架构除了前端驱动程序（在来宾操作系统中实现）和后端驱动程序（在 hypervisor 中实现）之外，virtio 还定义了两个层来支持来宾操作系统到 hypervisor 的通信。在顶级（称为 virtio）的是虚拟队列接口，它在概念上将前端驱动程序附加到后端驱动程序。驱动程序可以使用 0 个或多个队列，具体数量取决于需求。例如，virtio 网络驱动程序使用两个虚拟队列（一个用于接收，另一个用于发送），而 virtio 块驱动程序仅使用一个虚拟队列。虚拟队列实际上被实现为跨越来宾操作系统和 hypervisor 的衔接点。但这可以通过任意方式实现，前提是来宾操作系统和 hypervisor 以相同的方式实现它。
图 3. vital 框架的高级架构如 图 3 所示，分别为块设备（比如磁盘）、网络设备、PCI 模拟和 balloon 驱动程序列出了 5 个前端驱动程序。每个前端驱动程序在 hypervisor 中有一个对应的后端驱动程序。
概念层次结构从来宾操作系统的角度来看，对象层次结构 的定义如 图 4 所示。在顶级的是 virtio_driver，它在来宾操作系统中表示前端驱动程序。与该驱动程序匹配的设备由 virtio_device（设备在来宾操作系统中的表示）封装。这引用 virtio_config_ops 结构（它定义配置 virtio 设备的操作）。virtio_device 由 virtqueue 引用（它包含一个到它服务的 virtio_device 的引用）。最后，每个 virtqueue 对象引用 virtqueue_ops 对象，后者定义处理 hypervisor 的驱动程序的底层队列操作。尽管队列操作是 virtio API 的核心，我还是先简单讨论一下新的发现，然后再详细探讨 virtqueue_ops 操作。
图 4. virtio 前端的对象层次结构该流程以创建 virtio_driver 并通过 register_virtio_driver 进行注册开始。virtio_driver 结构定义上层设备驱动程序、驱动程序支持的设备 ID 的列表、一个特性表单（取决于设备类型）和一个回调函数列表。当 hypervisor 识别到与设备列表中的设备 ID 相匹配的新设备时，将调用 probe 函数（由 virtio_driver 对象提供）来传入 virtio_device 对象。将这个对象和设备的管理数据缓存起来（以独立于驱动程序的方式缓存）。可能要调用 virtio_config_ops 函数来获取或设置特定于设备的选项，例如，为 virtio_blk 设备获取磁盘的 Read/Write 状态或设置块设备的块大小，具体情况取决于启动器的类型。
注意，virtio_device 不包含到 virtqueue 的引用（但 virtqueue 确实引用了 virtio_device）。要识别与该 virtio_device 相关联的 virtqueue，您需要结合使用 virtio_config_ops 对象和 find_vq 函数。该对象返回与这个 virtio_device 实例相关联的虚拟队列。find_vq 函数还允许为 virtqueue 指定一个回调函数（查看 图 4 中的 virtqueue 结构）。
virtqueue 是一个简单的结构，它识别一个可选的回调函数（在 hypervisor 使用缓冲池时调用）、一个到 virtio_device 的引用、一个到 virtqueue 操作的引用，以及一个引用要使用的底层实现的特殊 priv 引用。虽然 callback 是可选的，但是它能够动态地启用或禁用回调。
该层次结构的核心是 virtqueue_ops，它定义在来宾操作系统和 hypervisor 之间移动命令和数据的方式。让我们首先探索添加到或从 virtqueue 移除的对象。
Virtio 缓冲池来宾操作系统（前端）驱动程序通过缓冲池与 hypervisor 交互。对于 I/O，来宾操作系统提供一个或多个表示请求的缓冲池。例如，您可以提供 3 个缓冲池，第一个表示 Read 请求，后面两个表示响应数据。该配置在内部被表示为一个散集列表（scatter-gather），列表中的每个条目表示一个地址和一个长度。
核心 API通过 virtio_device 和 virtqueue（更常见）将来宾操作系统驱动程序与 hypervisor 的驱动程序链接起来。virtqueue 支持它自己的由 5 个函数组成的 API。您可以使用第一个函数 add_buf 来向 hypervisor 提供请求。如前面所述，该请求以散集列表的形式存在。对于 add_buf，来宾操作系统提供用于将请求添加到队列的 virtqueue、散集列表（地址和长度数组）、用作输出条目（目标是底层 hypervisor）的缓冲池数量，以及用作输入条目（hypervisor 将为它们储存数据并返回到来宾操作系统）的缓冲池数量。当通过 add_buf 向 hypervisor 发出请求时，来宾操作系统能够通过 kick 函数通知 hypervisor 新的请求。为了获得最佳的性能，来宾操作系统应该在通过 kick 发出通知之前将尽可能多的缓冲池装载到 virtqueue。
通过 get_buf 函数触发来自 hypervisor 的响应。来宾操作系统仅需调用该函数或通过提供的  virtqueue callback 函数等待通知就可以实现轮询。当来宾操作系统知道缓冲区可用时，调用 get_buf 返回完成的缓冲区。
virtqueue API 的最后两个函数是 enable_cb 和 disable_cb。您可以使用这两个函数来启用或禁用回调进程（通过在 virtqueue 中由 virtqueue 初始化的 callback 函数）。注意，该回调函数和 hypervisor 位于独立的地址空间中，因此调用通过一个间接的 hypervisor 来触发（比如 kvm_hypercall）。
缓冲区的格式、顺序和内容仅对前端和后端驱动程序有意义。内部传输（当前实现中的连接点）仅移动缓冲区，并且不知道它们的内部表示。