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标题: KVM 虚拟化技术在 AMD 平台上的实现（4） [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-4-23 12:19 标题: KVM 虚拟化技术在 AMD 平台上的实现（4）

重要的数据结构和接口一个快速分析，理解 KVM 实现的方法是了解其代码中一些重要数据结构和接口函数 :
1.struct kvm 和 struct kvm_arch。用来描述单个虚拟机全局的状态，如代表虚拟机物理内存区域的 memslots，代表当前需要仿真的 Coalesced MMIO 的 coalesced_mmio_ring，用来仿真平台设备 PIC， IOAPIC， PIT， KVMCLOCK 的数据结构，用来组织 Shadow 页表的数据结构等等。
2.struct kvm_vcpu 和 struct kvm_vcpu_arch。用来描述单个虚拟 CPU 的状态，如需要仿真的虚拟 CPU 的特征位 ( 客操作系统 CPUID 看到的东西 )，当前尚未处理完的 PIO，等待注入的异常和中断事件，用来仿真 Local APIC 的数据结构，尚未同步到 VMCB 中的修改过的寄存器的缓存等等。
3.struct vmcb。用来实现 AMD-V 的 VMCB 的数据结构。其中的字段的格式和长度当然需要严格遵守 VMCB 的规范。两个子结构 struct vmcb_control_area 和 struct vmcb_save_area 分别代表物理上的 VMCB.CONTROL 和 VMCB.SAVE。
4.Struct vcpu_svm。用来代表 AMD-V 实现下的 VCPU，除关联 struct kvm_vcpu 和 struct vmcb 外，还用来实现一些 AMD-V 特定的东西，如 ASID 和 Sysenter 的支持。
5.Struct kvm_memslots。该结构挂在 struct kvm 下，用来描述虚拟机的全部物理内存区域，每个区域对应一个 struct kvm_memory_slot 结构，其中包含该区域的 gpa 起点，大小及在 qemu-kvm 用户空间的 hva 起点。
6.Struct kvm_x86_ops。该接口定义了若干操作，规定 KVM 在 x86 平台上的基本实现方式，svm.c 中提供了大部分操作的独立实现，其中多数函数以 “svm_xxx”方式命名，读者可直接查找 svm_x86_ops 变量了解每个操作在 svm.c 中对应的函数。
7.Struct kvm_io_dev_ops。该接口定义了三个操作 (read，write，destructor)，规定了在 KVM 内核中 PIO 或 MMIO 仿真的实现结构，目前平台设备 PIT， PIC， IOAPIC 的 PIO/MMIO 仿真处理都是按该接口的方式实现的。有趣的是，Ioeventfd 机制也使用了该接口， Ioeventfd 实现该接口的 write 操作，当 KVM 截取客操作系统向某特定的 PIO 或 MMIO 地址写入某特定的值时，Ioeventfd 实现的 ioeventfd_write() 操作就会执行，唤醒等待在指定的文件描述符上的 qemu-kvm 线程。RHEL6.2 上 qemu-kvm 实现的 virtIO 设备的后端，已经使用了 ioeventfd 的功能。
重要的执行路径介绍为了帮助读者了解 kvm 及 qemu-kvm 代码的主体结构，我们可以看一下代表一个 VCPU 的 qemu-kvm 线程的重要执行路径，如图三所示 :
图 3. 执行路径

在此图中，最左侧的执行路径是 qemu-kvm 的代码建立一个虚拟机的过程，起点是 pc_init_rhel620，该函数的代码在 hw/pc.c 中，“rhel620”代表 qemu-kvm 对虚拟机的定义， hw/pc.c 中提供了多个虚拟机定义，“rhel620” 是保留选用的定义，“rhel620”定义采用“cpu64-rhel6” CPU 模型，支持最大 255 个虚拟 CPU。一个 CPU 模型定义了虚拟的 CPU 所支持的特征列， qemu-kvm 定义的全部 CPU 模型在 sysconfigs/target/cpu-x86_64.conf 文件下。函数 pc_init1 是 qemu-kvm 用户空间很关键的一个函数，其代码中需要创建虚拟机的 PC 硬件，如分配物理内存，加载 BIOS，分配 IO 端口空间，创建平台设备，创建 VGA 设备等。 pc_init1 然后要做的工作就是为每个 VCPU 创建一个线程。
VCPU 线程的启动函数为 ap_main_loop，其代码在 qemu-kvm.c 中，该函数的代码需要从内核中创建 VCPU 抽象及单个 VCPU 相关的硬件，然后调用 kvm_main_loop_cpu。 kvm_main_loop_cpu 中包含 while 循环，除非 VCPU 关闭，否则 VCPU 的线程就不会退出该循环。kvm_rum 中调用 ioctl(,KVM_RUN) 进入 KVM 内核，在内核代码中切换进入客操作系统的代码执行，真正运行起一个 VCPU。一般只有当有 IO 操作需要用户空间仿真时，kvm_run 才会从 ioctl(,KVM_RUN) 中返回，执行 handle_mmio 等一些 IO 操作仿真的代码。
在内核空间，KVM 的 ioctl 功能分派函数会调用 __vcpu_run，该函数也是一个包含 while 循环的函数，在每次工作的开始调用 vcpu_enter_guest， vcpu_enter_guest 做一些检查工作后调用 svm 特定的 svm_vcpu_run 函数， svm_vcpu_run 是进行客主模式切换的地方，这里调用 VMRUM 指令加载 VMCB 的内容，进入“guest”模式。客操作系统的代码运行在“guest”模式，遇到任何中断，异常或其他需要被捕获的事件，硬件就会执行 VMEXIT 而退出“guest”模式，退出后从 svm_vcpu_run 中位于 VMRUN 后的一条语句开始执行。退出 svm_vcpu_run 后在 vcpu_enter_guest 中会调用 svm 特定的函数 handle_exit，做退出事件的处理。如果 handle_exit 处理的结果表明立即需要用户空间继续处理，如外部设备 IO_Memory 的仿真，则从 vcpu_enter_guest 返回后的代码会退出 __vcpu_run，进而退出到用户空间，从 ioctl(,KVM_RUN) 返回，执行 handle_mmio 等用户空间的仿真工作，并在用户空间 kvm_main_loop_cpu 的主循环中重新调用 ioctl(,KVM_RUN) 进入 KVM，进而重新进入客操作系统。

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