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KVM源代码分析3:CPU虚拟化

http://www.oenhan.com/kvm-src-3-cpu

在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。

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。

在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

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

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 controls Determines what operations cause VM exits CR0, CR3, CR4, Exceptions, IO Ports, Interrupts, Pin Events, etc
Guest-state area Saved on VM exits,Reloaded on VM entry EIP, ESP, EFLAGS, IDTR, Segment Regs, Exit info, etc
Host-state area Loaded on VM exits CR3, EIP set to monitor entry point, EFLAGS hardcoded, etc
VM-exit controls Determines which state to save, load, how to transition Example: MSR save-load list
VM-entry controls Determines which state to load, how to transition Including 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。

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struct kvm {
	struct mm_struct *mm; /* userspace tied to this vm */
	struct kvm_memslots *memslots;  /*qemu模拟的内存条模型*/
	struct kvm_vcpu *vcpus[KVM_MAX_VCPUS]; /* 模拟的CPU */
	atomic_t online_vcpus;
	int last_boosted_vcpu;
	struct list_head vm_list;  //HOST上VM管理链表,
	struct kvm_io_bus *buses[KVM_NR_BUSES];
	struct kvm_vm_stat stat;
	struct kvm_arch arch; //这个是host的arch的一些参数
	atomic_t users_count;
 
	long tlbs_dirty;
	struct list_head devices;
};

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。

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struct kvm_vcpu {
	struct kvm *kvm;  //归属的KVM
#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
	struct preempt_notifier preempt_notifier;
#endif
	int cpu;
	int vcpu_id;
	int srcu_idx;
	int mode;
	unsigned long requests;
	unsigned long guest_debug;
 
	struct mutex mutex;
	struct kvm_run *run;  //运行时的状态
 
	int fpu_active;
	int guest_fpu_loaded, guest_xcr0_loaded;
	wait_queue_head_t wq; //队列
	struct pid *pid;
	int sigset_active;
	sigset_t sigset;
	struct kvm_vcpu_stat stat; //一些数据
 
#ifdef CONFIG_HAS_IOMEM
	int mmio_needed;
	int mmio_read_completed;
	int mmio_is_write;
	int mmio_cur_fragment;
	int mmio_nr_fragments;
	struct kvm_mmio_fragment mmio_fragments[KVM_MAX_MMIO_FRAGMENTS];
#endif
 
#ifdef CONFIG_KVM_ASYNC_PF
	struct {
		u32 queued;
		struct list_head queue;
		struct list_head done;
		spinlock_t lock;
	} async_pf;
#endif
 
#ifdef CONFIG_HAVE_KVM_CPU_RELAX_INTERCEPT
	/*
	 * Cpu relax intercept or pause loop exit optimization
	 * in_spin_loop: set when a vcpu does a pause loop exit
	 *  or cpu relax intercepted.
	 * dy_eligible: indicates whether vcpu is eligible for directed yield.
	 */
	struct {
		bool in_spin_loop;
		bool dy_eligible;
	} spin_loop;
#endif
	bool preempted;
	struct kvm_vcpu_arch arch;  //当前VCPU虚拟的架构,默认介绍X86
};

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:

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struct kvm_vcpu_arch {
	/*
	 * rip and regs accesses must go through
	 * kvm_{register,rip}_{read,write} functions.
	 */
	unsigned long regs[NR_VCPU_REGS];
	u32 regs_avail;
	u32 regs_dirty;
	//类似这些寄存器就是就是用来缓存真正的CPU值的
	unsigned long cr0;
	unsigned long cr0_guest_owned_bits;
	unsigned long cr2;
	unsigned long cr3;
	unsigned long cr4;
	unsigned long cr4_guest_owned_bits;
	unsigned long cr8;
	u32 hflags;
	u64 efer;
	u64 apic_base;
	struct kvm_lapic *apic;    /* kernel irqchip context */
	unsigned long apic_attention;
	int32_t apic_arb_prio;
	int mp_state;
	u64 ia32_misc_enable_msr;
	bool tpr_access_reporting;
	u64 ia32_xss;
 
	/*
	 * Paging state of the vcpu
	 *
	 * If the vcpu runs in guest mode with two level paging this still saves
	 * the paging mode of the l1 guest. This context is always used to
	 * handle faults.
	 */
	struct kvm_mmu mmu; //内存管理,更多的是附带了直接操作函数
 
	/*
	 * Paging state of an L2 guest (used for nested npt)
	 *
	 * This context will save all necessary information to walk page tables
	 * of the an L2 guest. This context is only initialized for page table
	 * walking and not for faulting since we never handle l2 page faults on
	 * the host.
	 */
	struct kvm_mmu nested_mmu;
 
	/*
	 * Pointer to the mmu context currently used for
	 * gva_to_gpa translations.
	 */
	struct kvm_mmu *walk_mmu;
 
	struct kvm_mmu_memory_cache mmu_pte_list_desc_cache;
	struct kvm_mmu_memory_cache mmu_page_cache;
	struct kvm_mmu_memory_cache mmu_page_header_cache;
 
	struct fpu guest_fpu;
	u64 xcr0;
	u64 guest_supported_xcr0;
	u32 guest_xstate_size;
 
	struct kvm_pio_request pio;
	void *pio_data;
 
	u8 event_exit_inst_len;
 
	struct kvm_queued_exception {
		bool pending;
		bool has_error_code;
		bool reinject;
		u8 nr;
		u32 error_code;
	} exception;
 
	struct kvm_queued_interrupt {
		bool pending;
		bool soft;
		u8 nr;
	} interrupt;
 
	int halt_request; /* real mode on Intel only */
 
	int cpuid_nent;
	struct kvm_cpuid_entry2 cpuid_entries[KVM_MAX_CPUID_ENTRIES];
 
	int maxphyaddr;
 
	/* emulate context */
	//下面是KVM的软件模拟模式,也就是没有vmx的情况,估计也没人用这一套
	struct x86_emulate_ctxt emulate_ctxt;
	bool emulate_regs_need_sync_to_vcpu;
	bool emulate_regs_need_sync_from_vcpu;
	int (*complete_userspace_io)(struct kvm_vcpu *vcpu);
 
	gpa_t time;
	struct pvclock_vcpu_time_info hv_clock;
	unsigned int hw_tsc_khz;
	struct gfn_to_hva_cache pv_time;
	bool pv_time_enabled;
	/* set guest stopped flag in pvclock flags field */
	bool pvclock_set_guest_stopped_request;
 
	struct {
		u64 msr_val;
		u64 last_steal;
		u64 accum_steal;
		struct gfn_to_hva_cache stime;
		struct kvm_steal_time steal;
	} st;
 
	u64 last_guest_tsc;
	u64 last_host_tsc;
	u64 tsc_offset_adjustment;
	u64 this_tsc_nsec;
	u64 this_tsc_write;
	u64 this_tsc_generation;
	bool tsc_catchup;
	bool tsc_always_catchup;
	s8 virtual_tsc_shift;
	u32 virtual_tsc_mult;
	u32 virtual_tsc_khz;
	s64 ia32_tsc_adjust_msr;
 
	atomic_t nmi_queued;  /* unprocessed asynchronous NMIs */
	unsigned nmi_pending; /* NMI queued after currently running handler */
	bool nmi_injected;    /* Trying to inject an NMI this entry */
 
	struct mtrr_state_type mtrr_state;
	u64 pat;
 
	unsigned switch_db_regs;
	unsigned long db[KVM_NR_DB_REGS];
	unsigned long dr6;
	unsigned long dr7;
	unsigned long eff_db[KVM_NR_DB_REGS];
	unsigned long guest_debug_dr7;
 
	u64 mcg_cap;
	u64 mcg_status;
	u64 mcg_ctl;
	u64 *mce_banks;
 
	/* Cache MMIO info */
	u64 mmio_gva;
	unsigned access;
	gfn_t mmio_gfn;
	u64 mmio_gen;
 
	struct kvm_pmu pmu;
 
	/* used for guest single stepping over the given code position */
	unsigned long singlestep_rip;
 
	/* fields used by HYPER-V emulation */
	u64 hv_vapic;
 
	cpumask_var_t wbinvd_dirty_mask;
 
	unsigned long last_retry_eip;
	unsigned long last_retry_addr;
 
	struct {
		bool halted;
		gfn_t gfns[roundup_pow_of_two(ASYNC_PF_PER_VCPU)];
		struct gfn_to_hva_cache data;
		u64 msr_val;
		u32 id;
		bool send_user_only;
	} apf;
 
	/* OSVW MSRs (AMD only) */
	struct {
		u64 length;
		u64 status;
	} osvw;
 
	struct {
		u64 msr_val;
		struct gfn_to_hva_cache data;
	} pv_eoi;
 
	/*
	 * Indicate whether the access faults on its page table in guest
	 * which is set when fix page fault and used to detect unhandeable
	 * instruction.
	 */
	bool write_fault_to_shadow_pgtable;
 
	/* set at EPT violation at this point */
	unsigned long exit_qualification;
 
	/* pv related host specific info */
	struct {
		bool pv_unhalted;
	} pv;
};

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。

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static struct x86_emulate_ops emulate_ops = {
	.read_std            = kvm_read_guest_virt_system,
	.write_std           = kvm_write_guest_virt_system,
	.fetch               = kvm_fetch_guest_virt,
	.read_emulated       = emulator_read_emulated,
	.write_emulated      = emulator_write_emulated,
	.cmpxchg_emulated    = emulator_cmpxchg_emulated,
	.invlpg              = emulator_invlpg,
	.pio_in_emulated     = emulator_pio_in_emulated,
	.pio_out_emulated    = emulator_pio_out_emulated,
	.get_segment         = emulator_get_segment,
	.set_segment         = emulator_set_segment,
	.get_cached_segment_base = emulator_get_cached_segment_base,
	.get_gdt             = emulator_get_gdt,
	.get_idt         = emulator_get_idt,
	.set_gdt             = emulator_set_gdt,
	.set_idt         = emulator_set_idt,
	.get_cr              = emulator_get_cr,
	.set_cr              = emulator_set_cr,
	.cpl                 = emulator_get_cpl,
	.get_dr              = emulator_get_dr,
	.set_dr              = emulator_set_dr,
	.set_msr             = emulator_set_msr,
	.get_msr             = emulator_get_msr,
	.halt                = emulator_halt,
	.wbinvd              = emulator_wbinvd,
	.fix_hypercall       = emulator_fix_hypercall,
	.get_fpu             = emulator_get_fpu,
	.put_fpu             = emulator_put_fpu,
	.intercept           = emulator_intercept,
	.get_cpuid           = emulator_get_cpuid,
};

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2vmcs_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。