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sar -n DEV 1

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。

KVM源代码分析2:虚拟机的创建与运行

http://www.oenhan.com/kvm-src-2-vm-run

基本原理里面提到kvm虚拟化由用户态程序Qemu和内核态驱动kvm配合完成，qemu负责HOST用户态层面进程管理，IO处理等，KVM负责把qemu的部分指令在硬件上直接实现，从虚拟机的创建和运行上看，qemu的代码占了流程上的主要部分。下面的代码主要主要针对与qemu。 而Qemu和kvm的配合流程如下：

接下来参考上图分析qemu代码流程： 从vl.c代码的main函数开始。 atexit(qemu_run_exit_notifiers)注册了qemu的退出处理函数，后面在具体看qemu_run_exit_notifiers函数。 module_call_init则开始初始化qemu的各个模块，陆陆续续的有以下参数：

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typedef enum {
	MODULE_INIT_BLOCK,
	MODULE_INIT_MACHINE,
	MODULE_INIT_QAPI,
	MODULE_INIT_QOM,
	MODULE_INIT_MAX
} module_init_type;

最开始初始化的MODULE_INIT_QOM，QOM是qemu实现的一种模拟设备，具体可以参考 http://wiki.qemu.org/Features/QOM ，代码下面的不远处就MODULE_INIT_MACHINE的初始化，这两条语句放到一起看，直接说一下module_call_init的机制。 module_call_init实际设计的一个函数链表，ModuleTypeList ，链表关系如下图

它把相关的函数注册到对应的数组链表上，通过执行init项目完成所有设备的初始化。module_call_init就是执行e->init()完成功能的，而e->init是什么时候通过register_module_init注册到ModuleTypeList上的ModuleEntry，是在machine_init(pc_machine_init)函数注册的，pc_machine_init则是针对PC（即是X86）的qemu虚拟化方案，至于它被谁调用的，把machine_init这个宏展开，看到它前面的修饰是__attribute__((constructor)),这个导致machine_init或者type_init等会在main()之前就被执行。module_call_init针对X86则是调用machine_init，即pc_machine_init，完成了虚拟的机器类型注册。

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static void pc_machine_init(void)
{
	qemu_register_machine(&pc_machine_v1_3);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v1_2);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v1_1);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v1_0);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v1_0_qemu_kvm);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_15);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_14);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_13);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_12);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_11);
	qemu_register_machine(&pc_machine_v0_10);
}
machine_init(pc_machine_init);

下面涉及对OPT入参的解析过程略过不提。 qemu准备模拟的机器的类型从下面语句获得:

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current_machine = MACHINE(object_new(object_class_get_name(
					  OBJECT_CLASS(machine_class))));

machine_class则是通过入参传入的

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case QEMU_OPTION_machine:
	olist = qemu_find_opts("machine");
	opts = qemu_opts_parse(olist, optarg, 1);
	if (!opts) {
		exit(1);
	}
	optarg = qemu_opt_get(opts, "type");
	if (optarg) {
		machine_class = machine_parse(optarg);
	}
	break;

man qemu

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-machine [type=]name[,prop=value[,...]]
	Select the emulated machine by name.
	Use "-machine help" to list available machines

cpu_exec_init_all中记录了CPU执行前的一些初始化工作。

qemu_set_log设置日志输出，kvm对外的日志是从这里配置的。

中间的代码忽略过，直接到configure_accelerator函数，进行虚拟机模拟器的配置， 这是一个重点关注的函数，它调用了accel_list[i].init()函数，而accel_list初始化如下：

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static struct {
	const char *opt_name;
	const char *name;
	int (*available)(void);
	int (*init)(QEMUMachine *);
	bool *allowed;
} accel_list[] = {
	{ "tcg", "tcg", tcg_available, tcg_init, &tcg_allowed },
	{ "xen", "Xen", xen_available, xen_init, &xen_allowed },
	{ "kvm", "KVM", kvm_available, kvm_init, &kvm_allowed },
	{ "qtest", "QTest", qtest_available, qtest_init_accel, &qtest_allowed },
};

kvm_available很简单，重点在kvm_init上，实际调用kvm_init函数，kvm_init通过qemu_open(“/dev/kvm”)检查内核驱动插入情况，通过kvm_ioctl(s, KVM_GET_API_VERSION, 0)获取API接口版本，最重点是调用了kvm_ioctl(s, KVM_CREATE_VM, type);创建了KVM虚拟机，获取虚拟机句柄。具体KVM_CREATE_VM在内核态做了什么，ioctl的工作等另外再说，现在假定KVM_CREATE_VM所代表的虚拟机创建成功，下面通过检查kvm_check_extension结果填充KVMState，kvm_arch_init初始化KVMState，其中有IDENTITY_MAP_ADDR，TSS_ADDR，NR_MMU_PAGES等，cpu_register_phys_memory_client注册qemu对内存管理的函数集，kvm_create_irqchip创建kvm中断管理内容，通过kvm_vm_ioctl(s, KVM_CREATE_IRQCHIP)实现，具体内核态的工作内容后面分析。到此模拟器init的工作就完成了，最主要的工作就是创建的虚拟机。

下面是guest启动的内核配置，qemu线程的初始化等，涉及虚拟机CPU，内存初始化在下面：

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QEMUMachineInitArgs args = { .machine = machine,
				.ram_size = ram_size,
				.boot_order = boot_order,
				.kernel_filename = kernel_filename,
				.kernel_cmdline = kernel_cmdline,
				.initrd_filename = initrd_filename,
				.cpu_model = cpu_model };

current_machine->init_args = args;
machine->init(¤t_machine->init_args);

前面提到了pc_machine_init注册虚拟机器类型，我们直接看pc_machine_v1_0_qemu_kvm即可，QEMUMachine对应的结构如下:

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static QEMUMachine pc_machine_v1_0_qemu_kvm = {
	PC_I440FX_1_2_MACHINE_OPTIONS,
	.name = "pc-1.0-qemu-kvm",
	.alias = "pc-1.0-precise",
	.init = pc_init_pci_1_2_qemu_kvm,
	.compat_props = (GlobalProperty[]) {
		PC_COMPAT_1_0_QEMU_KVM,
		{ /* end of list */ }
	},
	.hw_version = "1.0",
};

init函数是pc_init_pci_1_2_qemu_kvm,去除中间的一些兼容性代码工作，流程就是pc_init_pci->pc_init1。

在pc_init1中重点看两个函数，pc_cpus_init和pc_memory_init，顾名思义，CPU和内存的初始化，中断等初始化先忽略掉，先看这两个。

pc_cpus_init首先for循环中针对每个CPU初始化，即pc_new_cpu，里面有cpu_x86_init函数，主要就是把CPUX86State填充了一下，涉及到CPUID和其他的feature。下面是x86_cpu_realize，即唤醒CPU，重点是qemu_init_vcpu，MCE忽略掉，走到qemu_kvm_start_vcpu，qemu创建VCPU，如下：

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//创建VPU对于的qemu线程，线程函数是qemu_kvm_cpu_thread_fn
qemu_thread_create(cpu->thread, thread_name, qemu_kvm_cpu_thread_fn,
				   cpu, QEMU_THREAD_JOINABLE);
//如果线程没有创建成功，则一直在此处循环阻塞。说明多核vcpu的创建是顺序的
while (!cpu->created) {
	qemu_cond_wait(&qemu_cpu_cond, &qemu_global_mutex);
}

线程创建完成，具体任务支线提，回到主流程上，qemu_init_vcpu执行完成后，下面就是cpu_reset，此处的作用是什么呢？答案是无用，本质是一个空函数，它的主要功能就是CPUClass的reset函数，reset在cpu_class_init里面注册的，注册的是cpu_common_reset，这是一个空函数，没有任何作用。cpu_class_init则是被cpu_type_info即TYPE_CPU使用，而cpu_type_info则由type_init(cpu_register_types)完成，type_init则是前面提到的和machine_init对应的注册关系。根据下句完成工作

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#define type_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_QOM)

从上面看，pc_cpus_init函数过程已经理顺了，下面看一下，vcpu所在的线程对应的qemu_kvm_cpu_thread_fn中：

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//初始化VCPU
r = kvm_init_vcpu(env);
//初始化KVM中断
qemu_kvm_init_cpu_signals(env);
 
//标志VCPU创建完成，和上面判断是对应的
cpu->created = true;
qemu_cond_signal(&qemu_cpu_cond);
while (1) {
	if (cpu_can_run(env)) {
		//CPU进入执行状态
		r = kvm_cpu_exec(env);
		if (r == EXCP_DEBUG) {
			cpu_handle_guest_debug(env);
		}
	}
	qemu_kvm_wait_io_event(env);
}

CPU进入执行状态的时候我们看到其他的VCPU包括内存可能还没有初始化，关键是此处有一个开关，qemu_cpu_cond,打开这个开关才能进入到CPU执行状态，谁来打开这个开关，后面再说。先看kvm_init_vcpu，通过kvm_vm_ioctl，KVM_CREATE_VCPU创建VCPU，用KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE获取env->kvm_run对应的内存映射，kvm_arch_init_vcpu则填充对应的kvm_arch内容，具体内核部分，后面单独写。kvm_init_vcpu就是获取了vcpu，将相关内容填充了env。

qemu_kvm_init_cpu_signals则是将中断组合掩码传递给kvm_set_signal_mask，最终给内核KVM_SET_SIGNAL_MASK。kvm_cpu_exec此时还在阻塞过程中，先挂起来，看内存的初始化。 内存初始化函数是pc_memory_init,memory_region_init_ram传入了高端内存和低端内存的值，memory_region_init负责填充mr，重点在qemu_ram_alloc，即qemu_ram_alloc_from_ptr，首先有RAMBlock，ram_list，那就直接借助find_ram_offset函数一起看一下qemu的内存分布模型。

qemu模拟了普通内存分布模型，内存的线性也是分块被使用的，每个块称为RAMBlock，由ram_list统领，RAMBlock.offset则是区块的线性地址，即相对于开始的偏移位，RAMBlock.length(size)则是区块的大小，find_ram_offset则是在线性区间内找到没有使用的一段空间，可以完全容纳新申请的ramblock length大小，代码就是进行了所有区块的遍历，找到满足新申请length的最小区间，把ramblock安插进去即可，返回的offset即是新分配区间的开始地址。

而RAMBlock的物理则是在RAMBlock.host,由kvm_vmalloc(size)分配真正物理内存，内部qemu_vmalloc使用qemu_memalign页对齐分配内存。后续的都是对RAMBlock的插入等处理。 从上面看，memory_region_init_ram已经将qemu内存模型和实际的物理内存初始化了。

vmstate_register_ram_global这个函数则是负责将前面提到的ramlist中的ramblock和memory region的初始地址对应一下，将mr->name填充到ramblock的idstr里面，就是让二者有确定的对应关系，如此mr就有了物理内存使用。

后面则是subregion的处理，memory_region_init_alias初始化，其中将ram传递给mr->owner确定了隶属关系，memory_region_add_subregion则是大头，memory_region_add_subregion_common前面的判断忽略，QTAILQ_INSERT_TAIL(&mr->subregions, subregion, subregions_link)就是插入了链表而已，主要内容在memory_region_transaction_commit。

memory_region_transaction_commit中引入了新的结构address_spaces（AS），注释里面提到“AddressSpace: describes a mapping of addresses to #MemoryRegion objects”，就是内存地址的映射关系，因为内存有不同的应用类型，address_spaces以链表形式存在，commit函数则是对所有AS执行address_space_update_topology，先看AS在哪里注册的，就是前面提到的kvm_init里面，执行memory_listener_register，注册了address_space_memory和address_space_io两个，涉及的另外一个结构体则是MemoryListener，有kvm_memory_listener和kvm_io_listener，就是用于监控内存映射关系发生变化之后执行回调函数。

下面进入到address_space_update_topology函数，FlatView则是“Flattened global view of current active memory hierarchy”，address_space_get_flatview直接获取当前的，generate_memory_topology则根据前面已经变化的mr重新生成FlatView,然后通过address_space_update_topology_pass比较，简单说address_space_update_topology_pass就是两个FlatView逐条的FlatRange进行对比，以后一个FlatView为准，如果前面FlatView的FlatRange和后面的不一样，则对前面的FlatView的这条FlatRange进行处理，差别就是3种情况，如代码：

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while (iold < old_view->nr || inew < new_view->nr) {
   if (iold < old_view->nr) {
	   frold = &old_view->ranges[iold];
   } else {
	   frold = NULL;
   }
   if (inew < new_view->nr) {
	   frnew = &new_view->ranges[inew];
   } else {
	   frnew = NULL;
   }
 
   if (frold
	   && (!frnew
		   || int128_lt(frold->addr.start, frnew->addr.start)
		   || (int128_eq(frold->addr.start, frnew->addr.start)
			   && !flatrange_equal(frold, frnew)))) {
	   /* In old but not in new, or in both but attributes changed. */
 
	   if (!adding) { //这个判断代码添加的无用，可以直接删除,
		   //address_space_update_topology里面的两个pass也可以删除一个
		   MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION(frold, as, Reverse, region_del);
	   }
 
	   ++iold;
   } else if (frold && frnew && flatrange_equal(frold, frnew)) {
	   /* In both and unchanged (except logging may have changed) */
 
	   if (adding) {
		   MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION(frnew, as, Forward, region_nop);
		   if (frold->dirty_log_mask && !frnew->dirty_log_mask) {
			   MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION(frnew, as, Reverse, log_stop);
		   } else if (frnew->dirty_log_mask && !frold->dirty_log_mask) {
			   MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION(frnew, as, Forward, log_start);
		   }
	   }
 
	   ++iold;
	   ++inew;
   } else {
	   /* In new */
 
	   if (adding) {
		   MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION(frnew, as, Forward, region_add);
	   }
 
	   ++inew;
   }
   }

重点在MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION函数上，将变化的FlatRange构造一个MemoryRegionSection，然后遍历所有的memory_listeners，如果memory_listeners监控的内存区域和MemoryRegionSection一样，则执行第四个入参函数，如region_del函数，即kvm_region_del函数，这个是在kvm_init中初始化的。kvm_region_del主要是kvm_set_phys_mem函数，主要是将MemoryRegionSection有效值转换成KVMSlot形式，在kvm_set_user_memory_region中使用kvm_vm_ioctl(s, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &mem)传递给kernel。

我们看内存初始化真正需要做的是什么？就是qemu申请内存，把申请物理地址传递给kernel进行映射，那我们直接就可以KVMSlot申请内存，然后传递给kvm_vm_ioctl，这样也是OK的，之所以有这么多代码，因为qemu本身是一个软件虚拟机，mr涉及的地址已经是vm的地址，对于KVM是多余的，只是方便函数复用而已。

内存初始化之后还是pci等处理先跳过，如此pc_init就完成了，但是前面VM线程已经初始化成功，在qemu_kvm_cpu_thread_fn函数中等待运行：

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while (1) {
	if (cpu_can_run(cpu)) {
		r = kvm_cpu_exec(cpu);
		if (r == EXCP_DEBUG) {
			cpu_handle_guest_debug(cpu);
		}
	}
	qemu_kvm_wait_io_event(cpu);
}

判断条件就是cpu_can_run函数，即cpu->stop && cpu->stopped && current_run_state ！= running 都是false，而这几个参数都是由vm_start函数决定的

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void vm_start(void)
{
	if (!runstate_is_running()) {
		cpu_enable_ticks();
		runstate_set(RUN_STATE_RUNNING);
		vm_state_notify(1, RUN_STATE_RUNNING);
		resume_all_vcpus();
		monitor_protocol_event(QEVENT_RESUME, NULL);
	}
}

如此kvm_cpu_exec就真正进入执行阶段，即通过kvm_vcpu_ioctl传递KVM_RUN给内核。

KVM源代码分析1:基本工作原理

http://www.oenhan.com/kvm-src-1

1.KVM模型结构

所有的虚拟化方案都是两个模块：guest和host。在完全虚拟化方案里面，guest则完全有guest OS保证其功能，保证运行场景的程序正常执行。KVM修改则是在host上，有KVM Driver（内核态）和Qemu（用户态），KVM Driver负责模拟虚拟机的CPU运行，内存管理，设备管理等；Qemu则模拟虚拟机的IO设备接口以及用户态控制接口。

如上图所示，客户模式即是guest，它自身有自己的用户模式和内核模式；guest是在host中是作为一个用户态进程存在的，这个进程就是qemu，qemu本身就是一个虚拟化程序，只是纯软件虚拟化效率很低，它被KVM进行改造后，作为KVM的前端存在，用来进行创建进程或者IO交互等；而KVM Driver则是Linux内核模式，它提供KVM fd给qemu调用，用来进行cpu虚拟化，内存虚拟化等。Qemu通KVM提供的LibKvm应用程序接口，通过ioctl系统调用创建和运行虚拟机。KVM Driver使得整个Linux成为一个虚拟机监控器，负责接收qemu模拟效率很低的命令。

2.KVM工作原理

上图是一个执行过程图，首先启动一个虚拟化管理软件qemu，开始启动一个虚拟机，通过ioctl等系统调用向内核中申请指定的资源，搭建好虚拟环境，启动虚拟机内的系统，虚拟机内的系统向内核反馈相关资源申请处理，如果是io请求，则提交给用户模式下的qemu处理，非io请求则将处理结果反馈给客户模式。

总体描述到此，后面代码里面见真相。