虚拟机的创建与运行章节里面笼统的介绍了KVM在qemu中的创建和运行,基本的qemu代码流程已经梳理清楚,后续主要写一些硬件虚拟化的原理和代码流程,主要写原理和qemu控制KVM运行的的ioctl接口,后续对内核代码的梳理也从这些接口下手。

QEMU:git://git.qemu.org/qemu.git v2.4.0

KVM:https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git v4.2

1.VT-x 技术

Intel处理器支持的虚拟化技术即是VT-x,之所以CPU支持硬件虚拟化是因为软件虚拟化的效率太低。

处理器虚拟化的本质是分时共享,主要体现在状态恢复和资源隔离,实际上每个VM对于VMM看就是一个task么,之前Intel处理器在虚拟化上没有提供默认的硬件支持,传统 x86 处理器有4个特权级,Linux使用了0,3级别,0即内核,3即用户态,(更多参考CPU的运行环、特权级与保护)而在虚拟化架构上,虚拟机监控器的运行级别需要内核态特权级,而CPU特权级被传统OS占用,所以Intel设计了VT-x,提出了VMX模式,即VMX root operation 和 VMX non-root operation,虚拟机监控器运行在VMX root operation,虚拟机运行在VMX non-root operation。每个模式下都有相对应的0~3特权级。

为什么引入这两种特殊模式,在传统x86的系统中,CPU有不同的特权级,是为了划分不同的权限指令,某些指令只能由系统软件操作,称为特权指令,这些指令只能在最高特权级上才能正确执行,反之则会触发异常,处理器会陷入到最高特权级,由系统软件处理。还有一种需要操作特权资源(如访问中断寄存器)的指令,称为敏感指令。OS运行在特权级上,屏蔽掉用户态直接执行的特权指令,达到控制所有的硬件资源目的;而在虚拟化环境中,VMM控制所有所有硬件资源,VM中的OS只能占用一部分资源,OS执行的很多特权指令是不能真正对硬件生效的,所以原特权级下有了root模式,OS指令不需要修改就可以正常执行在特权级上,但这个特权级的所有敏感指令都会传递到root模式处理,这样达到了VMM的目的。

KVM源代码分析1:基本工作原理章节中也说了kvm分3个模式,对应到VT-x 中即是客户模式对应vmx非root模式,内核模式对应VMX root模式下的0特权级,用户模式对应vmx root模式下的3特权级。

如下图
kvm_vmx_intel_oenhan

 

在非根模式下敏感指令引发的陷入称为VM-Exit,VM-Exit发生后,CPU从非根模式切换到根模式;对应的,VM-Entry则是从根模式到非根模式,通常意味着调用VM进入运行态。VMLAUCH/VMRESUME命令则是用来发起VM-Entry。

2.VMCS寄存器

VMCS保存虚拟机的相关CPU状态,每个VCPU都有一个VMCS(内存的),每个物理CPU都有VMCS对应的寄存器(物理的),当CPU发生VM-Entry时,CPU则从VCPU指定的内存中读取VMCS加载到物理CPU上执行,当发生VM-Exit时,CPU则将当前的CPU状态保存到VCPU指定的内存中,即VMCS,以备下次VMRESUME。

VMLAUCH指VM的第一次VM-Entry,VMRESUME则是VMLAUCH之后后续的VM-Entry。VMCS下有一些控制域:

VM-execution controlsDetermines what operations cause VM exitsCR0, CR3, CR4, Exceptions, IO Ports, Interrupts, Pin Events, etc
Guest-state areaSaved on VM exits,Reloaded on VM entryEIP, ESP, EFLAGS, IDTR, Segment Regs, Exit info, etc
Host-state areaLoaded on VM exitsCR3, EIP set to monitor entry point, EFLAGS hardcoded, etc
VM-exit controlsDetermines which state to save, load, how to transitionExample: MSR save-load list
VM-entry controlsDetermines which state to load, how to transitionIncluding injecting events (interrupts, exceptions) on entry

关于具体控制域的细节,还是翻Intel手册吧。

3.VM-Entry/VM-Exit

VM-Entry是从根模式切换到非根模式,即VMM切换到guest上,这个状态由VMM发起,发起之前先保存VMM中的关键寄存器内容到VMCS中,然后进入到VM-Entry,VM-Entry附带参数主要有3个:1.guest是否处于64bit模式,2.MSR VM-Entry控制,3.注入事件。1应该只在VMLAUCH有意义,3更多是在VMRESUME,而VMM发起VM-Entry更多是因为3,2主要用来每次更新MSR。

VM-Exit是CPU从非根模式切换到根模式,从guest切换到VMM的操作,VM-Exit触发的原因就很多了,执行敏感指令,发生中断,模拟特权资源等。

运行在非根模式下的敏感指令一般分为3个方面:

1.行为没有变化的,也就是说该指令能够正确执行。

2.行为有变化的,直接产生VM-Exit。

3.行为有变化的,但是是否产生VM-Exit受到VM-Execution控制域控制。

主要说一下"受到VM-Execution控制域控制"的敏感指令,这个就是针对性的硬件优化了,一般是1.产生VM-Exit;2.不产生VM-Exit,同时调用优化函数完成功能。典型的有“RDTSC指令”。除了大部分是优化性能的,还有一小部分是直接VM-Exit执行指令结果是异常的,或者说在虚拟化场景下是不适用的,典型的就是TSC offset了。

VM-Exit发生时退出的相关信息,如退出原因、触发中断等,这些内容保存在VM-Exit信息域中。

4.KVM_CREATE_VM

创建VM就写这里吧,kvm_dev_ioctl_create_vm函数是主干,在kvm_create_vm中,主要有两个函数,kvm_arch_init_vm和hardware_enable_all,需要注意,但是更先一步的是KVM结构体,下面的struct是精简后的版本。

kvm_arch_init_vm基本没有特别动作,初始化了KVM->arch,以及更新了kvmclock函数,这个另外再说。
而hardware_enable_all,针对于每个CPU执行“on_each_cpu(hardware_enable_nolock, NULL, 1)”,在hardware_enable_nolock中先把cpus_hardware_enabled置位,进入到kvm_arch_hardware_enable中,有hardware_enable和TSC初始化规则,主要看hardware_enable,crash_enable_local_vmclear清理位图,判断MSR_IA32_FEATURE_CONTROL寄存器是否满足虚拟环境,不满足则将条件写入到寄存器内,CR4将X86_CR4_VMXE置位,另外还有kvm_cpu_vmxon打开VMX操作模式,外层包了vmm_exclusive的判断,它是kvm_intel.ko的外置参数,默认唯一,可以让用户强制不使用VMM硬件支持。

5.KVM_CREATE_VCPU

kvm_vm_ioctl_create_vcpu主要有三部分,kvm_arch_vcpu_create,kvm_arch_vcpu_setup和kvm_arch_vcpu_postcreate,重点自然是kvm_arch_vcpu_create。老样子,在这之前先看一下VCPU的结构体。

借着看kvm_arch_vcpu_create,它借助kvm_x86_ops->vcpu_create即vmx_create_vcpu完成任务,vmx是X86硬件虚拟化层,从代码看,qemu用户态是一层,kernel 中KVM通用代码是一层,类似kvm_x86_ops是一层,针对各个不同硬件架构,而vcpu_vmx则是具体架构的虚拟化方案一层。首先是kvm_vcpu_init初始化,主要是填充结构体,可以注意的是vcpu->run分派了一页内存,下面有kvm_arch_vcpu_init负责填充x86 CPU结构体,下面就是kvm_vcpu_arch:

整个arch结构真是长,很适合凑篇幅,很多结构其他过程涉及到的再提吧,反正我也不知道。
kvm_arch_vcpu_init初始化了x86在虚拟化底层的实现函数,首先是pv和emulate_ctxt,这些不支持VMX下的模拟虚拟化,尤其是vcpu->arch.emulate_ctxt.ops = &emulate_ops,emulate_ops初始化虚拟化模拟的对象函数。

x86_emulate_ops函数看看就好,实际上也很少有人放弃vmx直接软件模拟。后面又有mp_state,给pio_data分配了一个page,kvm_set_tsc_khz设置TSC,kvm_mmu_create则是初始化MMU的函数,里面的函数都是地址转换的重点,在内存虚拟化重点提到。kvm_create_lapic初始化lapic,初始化mce_banks结构,还有pv_time,xcr0,xstat,pmu等,类似x86硬件结构上需要存在的,OS底层需要看到的硬件名称都要有对应的软件结构。
回到vmx_create_vcpu,vmx的guest_msrs分配得到一个page,后面是vmcs的分配,vmx->loaded_vmcs->vmcs = alloc_vmcs(),alloc_vmcs为当前cpu执行alloc_vmcs_cpu,alloc_vmcs_cpu中alloc_pages_exact_node分配给vmcs,alloc_pages_exact_node调用__alloc_pages实现,原来以为vmcs占用了一个page,但此处从伙伴系统申请了2^vmcs_config.order页,此处vmcs_config在setup_vmcs_config中初始化,vmcs_conf->order = get_order(vmcs_config.size),而vmcs_conf->size = vmx_msr_high & 0x1fff,又rdmsr(MSR_IA32_VMX_BASIC, vmx_msr_low, vmx_msr_high),此处size由于与0x1fff与运算,大小必然小于4k,order则为0,然来绕去还是一个page大小。这么做估计是为了兼容vmcs_config中的size计算。
下面根据vmm_exclusive进行kvm_cpu_vmxon,进入vmx模式,初始化loaded_vmcs,然后用kvm_cpu_vmxoff退出vmx模式。
vmx_vcpu_load加载VCPU的信息,切换到指定cpu,进入到vmx模式,将loaded_vmcs的vmcs和当前cpu的vmcs绑定到一起。vmx_vcpu_setup则是初始化vmcs内容,主要是赋值计算,下面的vmx_vcpu_put则是vmx_vcpu_load的反运算。下面还有一些apic,nested,pml就不说了。
vmx_create_vcpu结束就直接回到kvm_vm_ioctl_create_vcpu函数,下面是kvm_arch_vcpu_setup,整个就一条线到kvm_arch_vcpu_load函数,主要有kvm_x86_ops->vcpu_load(vcpu, cpu)和tsc处理,vcpu_load就是vmx_vcpu_load,刚说了,就是进入vcpu模式下准备工作。
kvm_arch_vcpu_setup后面是create_vcpu_fd为proc创建控制fd,让qemu使用。kvm_arch_vcpu_postcreate则是马后炮般,重新vcpu_load,写msr,tsc。
如此整个vcpu就创建完成了。

6.KVM_RUN

KVM run涉及内容也不少,先写完内存虚拟化之后再开篇专门写RUN流程。

下一篇:

KVM源代码分析4:内存虚拟化

----------完----------

--------------------下面未编辑的留存-------------------------------------
给vmcs分配空间并初始化,在alloc_vmcs_cpu分配一个页大小内存,用来保存vm和vmm信息。

执行vm entry的时候将vmm状态保存到vmcs的host area,并加载对应vm的vmcs guest area信息到CPU中,vm exit的时候则反之,vmcs具体结构分配由硬件实现,程序员只需要通过VMWRITE和VMREAD指令去访问

vmx执行完后,回到kvm_vm_ioctl_create_vcpu函数。kvm_arch_vcpu_reset对vcpu的结构进行初始化,后面一些就是检查vcpu的合法性,最后和kvm串接到一起。

vcpu的创建到此结束,下面说一下vcpu的运行。

VCPU一旦创建成功,后续的控制基本上从kvm_vcpu_ioctl开始,控制开关有KVM_RUN,KVM_GET_REGS,KVM_SET_REGS,KVM_GET_SREGS,KVM_SET_SREGS,KVM_GET_MP_STATE,KVM_SET_MP_STATE,KVM_TRANSLATE,KVM_SET_GUEST_DEBUG,KVM_SET_SIGNAL_MASK等,如果不清楚具体开关作用,可以直接到qemu搜索对应开关代码,一目了然。

KVM_RUN的实现函数是kvm_arch_vcpu_ioctl_run,进行安全检查之后进入__vcpu_run中,在while循环里面调用vcpu_enter_guest进入guest模式,首先处理vcpu->requests,对应的request做处理,kvm_mmu_reload加载mmu,通过kvm_x86_ops->prepare_guest_switch(vcpu)准备陷入到guest,prepare_guest_switch实现是vmx_save_host_state,顾名思义,就是保存host的当前状态。

然后加载guest的寄存器等信息,fpu,xcr0,将vcpu模式设置为guest状态,屏蔽中断响应,准备进入guest。但仍进行一次检查,vcpu->mode和vcpu->requests等,如果有问题,则恢复host状态。

kvm_guest_enter做了两件事:account_system_vtime计算虚拟机系统时间;rcu_virt_note_context_switch对rcu锁数据进行保护,完成上下文切换。

准备工作搞定,kvm_x86_ops->run(vcpu),开始运行guest,由vmx_vcpu_run实现。

判断模拟器,RSP,RIP寄存器值。

主要功能在这段内联汇编上

以上代码相对容易理解的,根据注释大致清楚了具体作用。

然后就是恢复系统NMI等中断:

回到vcpu_enter_guest,通过hw_breakpoint_restore恢复硬件断点

handle_exit退出函数由vmx_handle_exit实现,主要设置vcpu->run->exit_reason,让外部感知退出原因,并对应处理。对于vpu而言,handle_exit只是意味着一个传统linux一个时间片的结束,后续的工作都是由handle完成的,handle_exit对应的函数集如下:

有handle_task_switch进行任务切换,handle_io处理qemu的外部模拟IO等,具体处理内容后面在写。

再次退回到__vcpu_run函数,在while (r > 0)中,循环受vcpu_enter_guest返回值控制,只有运行异常的时候才退出循环,否则通过kvm_resched一直运行下去。

再退就到了kvm_arch_vcpu_ioctl_run函数,此时kvm run的执行也结束。

KVM cpu虚拟化的理解基本如上,涉及到的具体细节有时间后开篇另说。

KVM源代码分析未完待续


KVM源代码分析3:CPU虚拟化来自于OenHan

链接为:http://oenhan.com/kvm-src-3-cpu

11 对 “KVM源代码分析3:CPU虚拟化”的想法;

  1. 你好,我对linux内核开发很感兴趣,最近了解到云计算中的虚拟化技术,看到你的微博很受启发,能冒昧问一下你上一家是什么公司吗?需要对底层代码如此深刻的理解和调试,能否给一些进入这种公司的建议,深表感谢,看到你对技术的钻研很有认同感

    1. @祝福 细心一点就会发现答案,但为什么要问我上一家而不是现在公司?我的微博段子居多,你确定自己没被带坏?应届生进去前一家公司好像看学校居多,相对容易进,不过工作内容是统招统分。当前组里面正在招人,有些基础的应届生可以代为推荐。学习的话:1.理解《深入Linux内核架构》;2.订阅maillist,fix bug,给kernel提交patch。这两点基本就可以了,不同公司可能就是程度和数量的要求了。仅供参考,加错点 长歪了概不负责:roll:

  2. 谢谢,我做嵌入式开发一年多了,上一家公司做了大半年的linux应用开发。现在在做uc/os下的一个网卡驱动,过几天就要把公司买的tcp/ip协议的移植到这个平台上。边做着uc/os下的驱动,边用业余时间分析了linux网卡驱动的源代码,等过几天做协议移植的时候再顺着分析linux的协议栈。越分析源代码越深刻的体会到内核的魅力,太复杂了,每天看的头疼,不过还是挺过瘾的。很感谢你的建议,很明显,你也是个热心人,很负责,给别人提建议还担心对方没有把握自己方向的能力,谢谢

  3. 不过,我也的确好奇,你做了一年多的虚拟化,现在在做什么啊。其实我是想做完这个网络项目,扎实网络技术的基本功,和做完下一个linux底层驱动开发的项目,再尝试下一站方向。

  4. 有个问题请教一下。
    一个cpu进入非根模式执行guest os,如果guest os一直不调用io, 这个cpu何时从非根模式退出?如何退出?

  5. 您好,我想请问一下如果kvm(ept)捕获mmio操作的话,刚刚入门查了很多资料,也不太懂,需要怎么做呢?麻烦您了。

祝福进行回复 取消回复