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KVM源代码分析4:内存虚拟化

http://www.oenhan.com/kvm-src-4-mem

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:

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typedef struct RAMBlock {
	//对应宿主的内存地址
	uint8_t *host;
	//block在ramlist中的偏移
	ram_addr_t offset;
	//block长度
	ram_addr_t length;
	uint32_t flags;
	//block名字
	char idstr[256];
	QLIST_ENTRY(RAMBlock) next;
#if defined(__linux__) && !defined(TARGET_S390X)
	int fd;
#endif
} RAMBlock;

typedef struct RAMList {
	//看代码理解就是list的head,但是不知道为啥叫dirty...
	uint8_t *phys_dirty;
	QLIST_HEAD(ram, RAMBlock) blocks;
} RAMList;

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。

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void *qemu_memalign(size_t alignment, size_t size)
{
	void *ptr;
	//使用posix进行内存针对页大小对齐
#if defined(_POSIX_C_SOURCE) && !defined(__sun__)
	int ret;
	ret = posix_memalign(&ptr, alignment, size);
	if (ret != 0) {
		fprintf(stderr, "Failed to allocate %zu B: %s\n",
				size, strerror(ret));
		abort();
	}
#elif defined(CONFIG_BSD)
	ptr = qemu_oom_check(valloc(size));
#else
	//所谓检查oom就是看memalign对应malloc申请内存是否成功
	ptr = qemu_oom_check(memalign(alignment, size));
#endif
	trace_qemu_memalign(alignment, size, ptr);
	return ptr;
}

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

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struct kvm_userspace_memory_region {
	__u32 slot;
	__u32 flags;
	__u64 guest_phys_addr;
	__u64 memory_size;    /* bytes */
	__u64 userspace_addr; /* start of the userspace allocated memory */
};

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:

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//映射内存有大小,不是删除内存条
if (npages) {
	//内存槽号没有虚拟内存条,意味内存新创建
	if (!old.npages)
		change = KVM_MR_CREATE;
	else { /* Modify an existing slot. */
		//修改已存在的内存修改标志或者平移映射地址
		//下面是不能处理的状态(内存条大小不能变,物理地址不能变,不能修改只读)
		if ((mem->userspace_addr != old.userspace_addr) ||
			(npages != old.npages) ||
			((new.flags ^ old.flags) & KVM_MEM_READONLY))
			goto out;
		//guest地址不同,内存条平移
		if (base_gfn != old.base_gfn)
			change = KVM_MR_MOVE;
		else if (new.flags != old.flags)
			//修改属性
			change = KVM_MR_FLAGS_ONLY;
		else { /* Nothing to change. */
			r = 0;
			goto out;
		}
	}
} else if (old.npages) {
	//申请插入的内存为0,而内存槽上有内存,意味删除
	change = KVM_MR_DELETE;
} else /* Modify a non-existent slot: disallowed. */
	goto out;

另外看kvm_mr_change就知道memslot的变动值了:

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enum kvm_mr_change {
	KVM_MR_CREATE,
	KVM_MR_DELETE,
	KVM_MR_MOVE,
	KVM_MR_FLAGS_ONLY,
};

在往下是一段检查

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if ((change == KVM_MR_CREATE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
	/* Check for overlaps */
	r = -EEXIST;
	kvm_for_each_memslot(slot, kvm->memslots) {
		if ((slot->id >= KVM_USER_MEM_SLOTS) ||
			//下面排除掉准备操作的内存条,在KVM_MR_MOVE中是有交集的
			(slot->id == mem->slot))
			continue;
		//下面就是当前已有的slot与new在guest线性区间上有交集
		if (!((base_gfn + npages <= slot->base_gfn) ||
			  (base_gfn >= slot->base_gfn + slot->npages)))
			goto out;
			//out错误码就是EEXIST
	}
}

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>>09,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>>19,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″.

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if ((new.flags & KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES) && !new.dirty_bitmap) {
	if (kvm_create_dirty_bitmap(&new) < 0)
		goto out_free;
}

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,