终于把KVM源代码分析3:CPU虚拟化写完了,虽然还有run的部分另外在写,还是先看一下内存虚拟化部分。

代码版本:https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git v3.16.37

在虚拟机的创建与运行中pc_init_pci负责在qemu中初始化虚拟机,内存初始化也是在这里完成的,还是一步步从qemu说起,在vl.c的main函数中有ram_size参数,由qemu入参标识QEMU_OPTION_m设定,顾名思义就是虚拟机内存的大小,通过machine->init一步步传递给pc_init1函数。在这里分出了above_4g_mem_size和below_4g_mem_size,即高低端内存(也不一定是32bit机器..),然后开始初始化内存,即pc_memory_init,内存通过memory_region_init_ram下面的qemu_ram_alloc分配,使用qemu_ram_alloc_from_ptr。


插播qemu对内存条的模拟管理,是通过RAMBlock和ram_list管理的,RAMBlock就是每次申请的内存池,ram_list则是RAMBlock的链表,他们结构如下:

下面再回到qemu_ram_alloc_from_ptr函数,使用find_ram_offset赋值给new block的offset,find_ram_offset具体工作模型已经在KVM源代码分析2:虚拟机的创建与运行中提到了,不赘述。然后是一串判断,在kvm_enabled的情况下使用new_block->host = kvm_vmalloc(size),最终内存是qemu_vmalloc分配的,使用qemu_memalign干活。

以上qemu_vmalloc进行内存申请就结束了。在qemu_ram_alloc_from_ptr函数末尾则是将block添加到链表,realloc整个ramlist,用memset初始化整个ramblock,madvise对内存使用限定。
然后一层层的退回到pc_memory_init函数。

此时pc.ram已经分配完成,ram_addr已经拿到了分配的内存地址,MemoryRegion ram初始化完成。下面则是对已有的ram进行分段,即ram-below-4g和ram-above-4g,也就是高端内存和低端内存。用memory_region_init_alias初始化子MemoryRegion,然后将memory_region_add_subregion添加关联起来,memory_region_add_subregion具体细节“KVM源码分析2”中已经说了,参考对照着看吧,中间很多映射代码过程也只是qemu遗留的软件实现,没看到具体存在的意义,直接看到kvm_set_user_memory_region函数,内核真正需要kvm_vm_ioctl传递过去的参数是什么, struct kvm_userspace_memory_region mem而已,也就是

kvm_vm_ioctl进入到内核是在KVM_SET_USER_MEMORY_REGION参数中,即执行kvm_vm_ioctl_set_memory_region,然后一直向下,到__kvm_set_memory_region函数,check_memory_region_flags检查mem->flags是否合法,而当前flag也就使用了两位,KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES和KVM_MEM_READONLY,从qemu传递过来只能是KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES,下面是对mem中各参数的合规检查,(mem->memory_size & (PAGE_SIZE - 1))要求以页为单位,(mem->guest_phys_addr & (PAGE_SIZE - 1))要求guest_phys_addr页对齐,而((mem->userspace_addr & (PAGE_SIZE - 1)) || !access_ok(VERIFY_WRITE,(void __user *)(unsigned long)mem->userspace_addr,mem->memory_size))则保证host的线性地址页对齐而且该地址域有写权限。
id_to_memslot则是根据qemu的内存槽号得到kvm结构下的内存槽号,转换关系来自id_to_index数组,那映射关系怎么来的,映射关系是一一对应的,在kvm_create_vm虚拟机创建过程中,kvm_init_memslots_id初始化对应关系,即slots->id_to_index[i] = slots->memslots[i].id = i,当前映射是没有意义的,估计是为了后续扩展而存在的。
扩充了new的kvm_memory_slot,下面直接在代码中注释更方便:

另外看kvm_mr_change就知道memslot的变动值了:

在往下是一段检查

如果是新插入内存条,代码则走入kvm_arch_create_memslot函数,里面主要是一个循环,KVM_NR_PAGE_SIZES是分页的级数,此处是3,第一次循环,lpages = gfn_to_index(slot->base_gfn + npages - 1,slot->base_gfn, level) + 1,lpages就是一级页表所需要的page数,大致是npages>>0*9,然后为slot->arch.rmap[i]申请了内存空间,此处可以猜想,rmap就是一级页表了,继续看,lpages约为npages>>1*9,此处又多为lpage_info申请了同等空间,然后对lpage_info初始化赋值,现在看不到lpage_info的具体作用,看到后再补上。整体上看kvm_arch_create_memslot做了一个3级的软件页表。
如果有脏页,并且脏页位图为空,则分配脏页位图, kvm_create_dirty_bitmap实际就是"页数/8".

当内存条的改变是KVM_MR_DELETE或者KVM_MR_MOVE,先申请一个slots,把kvm->memslots暂存到这里,首先通过id_to_memslot获取准备插入的内存条对应到kvm的插槽是slot,无论删除还是移动,将其先标记为KVM_MEMSLOT_INVALID,然后是install_new_memslots,其实就是更新了一下slots->generation的值。

内存的添加说完了,看一下EPT页表的映射,在kvm_arch_vcpu_setup中有kvm_mmu_setup,是mmu的初始化,EPT的初始化是init_kvm_tdp_mmu,所谓的初始化就是填充了vcpu->arch.mmu结构体,里面有很多回调函数都会用到,最终的是tdp_page_fault。

当guest访问物理内存时发生vm-exit,进入vmx_handle_exit函数,根据EXIT_REASON_EPT_VIOLATION走到handle_ept_violation函数,exit_qualification = vmcs_readl(EXIT_QUALIFICATION)获取vm-exit的退出原因,进入kvm_mmu_page_fault函数:vcpu->arch.mmu.page_fault(vcpu, cr2, error_code, false),即是tdp_page_fault,handle_mmio_page_fault的流程不提。

在try_async_pf中就是gfn转换成hva,然后hva转换成pfn的过程,gfn转换到hva:

gfn2hva本质就是

而hva_to_pfn则就是host的线性区进行地址转换的问题了,不提。

这样看每次缺页都会分配新的mmu page,虚拟机每次启动是根据guest不停的进行EXIT_REASON_EPT_VIOLATION,整个页表就建立起来了。


KVM源代码分析4:内存虚拟化来自于OenHan

链接为:http://oenhan.com/kvm-src-4-mem

21 对 “KVM源代码分析4:内存虚拟化”的想法;

  1. 博主现在知道lpage_info的作用没。。我刚好项目需要理解这个结构的作用。求交流

    1. @XH 在EPT模式下没什么用,主要用在Shadow Page Table下,update_gfn_disallow_lpage_count负责更新lpage_info,__mmu_gfn_lpage_is_disallowed负责使用,就是查看gfn对应的各级MMU page是否禁止为大页,如果是,则禁止大页,否,则跳过这个判断条件即可,谁会禁止各级mmu page为大页,只有在非直接映射的情况下(Shadow Page Table的父集),分配的各个页就会直接在kvm_lpage_info内进行更新,也就是用于在Shadow Page Table下,禁止页表形成大页。

      1. @OENHAN 谢谢博主,但是我发现无论在EPT模式下还是在shadow page table情况下。当缺页中断进入tdp_page_fault时,计算level时用的是mapping_level(),而用这个函数计算level时又用到了has_wrprotected_page()函数,而该函数用到了lpage_info结构,这里的作用是什么呢。

        1. @XH 我们看的代码版本不一样的,我前面说的代码都是基于最新git的代码,我建议你看最新的kvm_lpage_info下不是write_count而是disallow_lpage,老代码的表述上理解比较坑爹,下面的是基于redhat 3.10的代码:

            1. @XH 好吧,write_count在初始化的时候设定为1,在kvm_arch_create_memslot中,如果gfn不和大页的边界对齐,那么write_count就会设定为1,实际上也就是这个gfn不能设置成大页。

          1. @OENHAN 看了下,是根据base_gfn是否边界对齐,可是为什么base_gfn不对齐就不能对这个memslot的gfn分配大页呢

            1. @XH 如果slot->base_gfn & (KVM_PAGES_PER_HPAGE(level) – 1)有真值,那么就意味这base_gfn在当前level的mmu page中的index满足0 < index < 511,如果此时gfn分配一个大页,那么index前面索引的page都会算到当前memslot,memslot真实大小就会变大。

              1. @OENHAN 在kvm_arch_create_memslot中的(slot->base_gfn ^ ugfn) & (KVM_PAGES_PER_HPAGE(level) – 1)的具体含义是什么,没有看懂。。
                if ((slot->base_gfn ^ ugfn) & (KVM_PAGES_PER_HPAGE(level) – 1) ||
                !kvm_largepages_enabled()) {
                unsigned long j;
                for (j = 0; j < lpages; ++j) slot->arch.lpage_info[i – 1][j].write_count = 1;
                }

                似乎是说这个slot中的gfn和对应的host的ugfn在一个大页中的偏移要一致,但是为什么ugfn(宿主机虚拟页号)也要按大页对齐呢

                1. @XH host的大页在线性地址上也是满足对齐的,假设memslot是gfn是从0到1024,从gfn上讲是满足形成2个大页的条件的,但是0是从hva 500*page_size起点,在host上,500这个地址是不能形成一个大页的边缘的,后面只有hva==512*page_size可以,当hva满足条件,gfn也不会满足条件,因为memslot在host线性地址上是连续的,所以只需要计算开头的一次。“host的大页在线性地址上是满足对齐的” 这个需要printk打印数据验证一下。

                  1. @OENHAN 这里的一个问题是base_gfn是亦或上ugfn,所以存在一种可能性是base_gfn和ugfn都不是对齐的,但是他们不对齐的偏移是一样的。比如base_gfn=500,ugfn=500,即gha=500*page_size,hva=500*page_size,两者亦或之后反而是512的倍数,反而可以分配大页了。为什么这种情况可以分配大页呢?

                    1. @XH 如base_gfn=500,ugfn=500, 可以分配大页的可能是因为在base_gfn=512,ugfn=512时,就可以了,在base_gfn=500,ugfn=500也是不可以的,但是memsolt中间是可能的,所以在处理的时候不处理kvm_lpage_info

  2. 请问博主,在mmu_set_spte()->rmap_add()->pte_list_add() 里面正常情况下一个物理页面对应一个spte,那么在什么情况下可能会出现多个spte对应一个物理页面的情况?

      1. @OENHAN 1. 如果没使用影子页表这种情况就不会发生了?
        2. 会不会是这种情况,因为每个vcpu都有一个EPT页表,如果一个虚拟机里面两个进程存在页面共享,这两个进程又分别运行在不同的vcpu上,是不是会出现这样的情况?

          1. @OENHAN [ 3876.437468] mmu_alloc_direct_roots: 0, 210d66000
            [ 3876.437471] kvm_mmu_load: 0, 210d66000
            [ 3876.442159] mmu_alloc_direct_roots: 1, 210d66000
            [ 3876.442162] kvm_mmu_load: 1, 210d66000
            嗯嗯,仔细看了一下代码,又试了试确实像博主所说的这样,多谢博主啦~

  3. 博主,你好! 我想问一下给虚拟机分配真实的物理空间是在什么时候?我个人理解应该在tdp_page_fault这个函数里面, 但是跟代码一直没找到具体的调用内存也分配的代码。

    1. @XIAOBO55X 物理空间在QEMU已经分好了,就是QEMU malloc出来的内存空间,严格意义讲真实,是在QEMU发生缺页host做分配的时候。tdp_page_fault函数只是做的guest物理地址到host线性地址的映射关系,不真正涉及guest真实物理空间的分配。

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