kernel 3.10代码分析--KVM相关--VCPU创建

美奇科技

1、基本原理
如之前的文章分析，在KVM虚拟化环境中，硬件虚拟化使用VCPU(Virtual CPU)描述符来描述虚拟CPU，VCPU描述符与OS中进程描述符类似，本质是一个结构体kvm_vcpu，其中包含如下信息： VCPU标识信息，如VCPU的ID号，VCPU属于哪个Guest等。
虚拟寄存器信息，在VT-x的环境中，这些信息包含在VMCS中。
VCPU状态信息，标识白VCPU当前所处的状态(睡眠、运行等)，主要供调度器使用。
额外的寄存器/部件信息，主要指未包含在VMCS中的寄存器或CPU部件，比如：浮点寄存器和虚拟的LAPIC等。
其他信息：用户VMM进行优化或存储额外信息的字段，如：存放该VCPU私有数据的指针。
当VMM创建虚拟机时，首先要为虚拟机创建VCPU，整个虚拟机的运行实际上可以看做VMM调度不同的VCPU运行。
虚拟机的VCPU通过ioctl VM指令KVM_CREATE_VCPU实现，实质为创建kvm_vcpu结构体，并进行相关初始化。本文简单分析VCPU创建过程，qemu-kvm用户态实现部分暂不包括。

2、基本流程
kvm_vm_ioctl() // kvm ioctl vm指令入口
    kvm_vm_ioctl_create_vcpu() // 为虚拟机创建VCPU的ioctl调用的入口函数
        kvm_arch_vcpu_create() // 创建vcpu结构，架构相关，对于intel x86来说，最终调用vmx_create_vcpu
        kvm_arch_vcpu_setup() // 设置VCPU结构
        create_vcpu_fd() // 为新创建的vcpu创建对应的fd，以便于后续通过该fd进行ioctl操作
        kvm_arch_vcpu_postcreate() // 架构相关的善后工作，比如再次调用vcpu_load，以及tsc相关处理

3、代码分析
kvm_vcpu结构：

• struct kvm_vcpu {
  
  
•     // 指向此vcpu所属的虚拟机对应的kvm结构
  
•     struct kvm *kvm;
  
• #ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
  
•     struct preempt_notifier preempt_notifier;
  
• #endif
  
•     int cpu;
  
•     // vcpu id，用于唯一标识该vcpu
  
•     int vcpu_id;
  
•     int srcu_idx;
  
•     int mode;
  
•     unsigned long requests;
  
•     unsigned long guest_debug;
  
• 
  
•     struct mutex mutex;
  
•     // 执行虚拟机对应的kvm_run结构
  
•     struct kvm_run *run;
  
• 
  
•     int fpu_active;
  
•     int guest_fpu_loaded, guest_xcr0_loaded;
  
•     wait_queue_head_t wq;
  
•     struct pid *pid;
  
•     int sigset_active;
  
•     sigset_t sigset;
  
•     // vcpu状态信息
  
•     struct kvm_vcpu_stat stat;
  
•     // mmio相关部分
  
• #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;
  
•     // 架构相关部分，包括的寄存器、apic、mmu相关等架构相关的内容
  
•     struct kvm_vcpu_arch arch;
  
• };
  

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu():

• /*
  
  
•   * 为虚拟机创建VCPU的ioctl调用的入口函数，本质为创建vcpu结构并初始化，并将其填入kvm结构中。
  
•   */
  
• static int kvm_vm_ioctl_create_vcpu(struct kvm *kvm, u32 id)
  
• {
  
•     int r;
  
•     struct kvm_vcpu *vcpu, *v;
  
• 
  
•     // 创建vcpu结构，架构相关，对于intel x86来说，最终调用vmx_create_vcpu
  
•     vcpu = kvm_arch_vcpu_create(kvm, id);
  
•     if (IS_ERR(vcpu))
  
•         return PTR_ERR(vcpu);
  
• 
  
•     preempt_notifier_init(&vcpu->preempt_notifier, &kvm_preempt_ops);
  
• 
  
•     /*
  
•      * 设置vcpu结构，主要调用kvm_x86_ops->vcpu_load，KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU，
  
•      * 并进行虚拟机mmu相关设置，比如进行ept页表的相关初始工作或影子页表
  
•      * 相关的设置。
  
•      */
  
•     r = kvm_arch_vcpu_setup(vcpu);
  
•     if (r)
  
•         goto vcpu_destroy;
  
• 
  
•     mutex_lock(&kvm->lock);
  
•     if (!kvm_vcpu_compatible(vcpu)) {
  
•         r = -EINVAL;
  
•         goto unlock_vcpu_destroy;
  
•     }
  
•     if (atomic_read(&kvm->online_vcpus) == KVM_MAX_VCPUS) {
  
•         r = -EINVAL;
  
•         goto unlock_vcpu_destroy;
  
•     }
  
• 
  
•     // 检测分配的vcpu id是否已经存在
  
•     kvm_for_each_vcpu(r, v, kvm)
  
•         if (v->vcpu_id == id) {
  
•             r = -EEXIST;
  
•             goto unlock_vcpu_destroy;
  
•         }
  
•     /*
  
•      * kvm->vcpus[]数组包括该vm的所有vcpu，定义为KVM_MAX_VCPUS大小的数组。
  
•      * 在kvm结构初始化时，其中所有成员都初始化为0，在vcpu还没有
  
•      * 分配之前，如果不为0，那就是bug了。
  
•      */
  
•     BUG_ON(kvm->vcpus[atomic_read(&kvm->online_vcpus)]);
  
• 
  
•     /* Now it's all set up, let userspace reach it */
  
•     // 增加kvm的引用计数
  
•     kvm_get_kvm(kvm);
  
•     // 为新创建的vcpu创建对应的fd，以便于后续通过该fd进行ioctl操作
  
•     r = create_vcpu_fd(vcpu);
  
•     if (r vcpus[]数组中
  
•     kvm->vcpus[atomic_read(&kvm->online_vcpus)] = vcpu;
  
•     // 内存屏障，防止同时访问kvm结构时乱序
  
•     smp_wmb();
  
•     // 增加online vcpu的数量
  
•     atomic_inc(&kvm->online_vcpus);
  
• 
  
•     mutex_unlock(&kvm->lock);
  
•     // 架构相关的善后工作，比如再次调用vcpu_load，以及tsc相关处理
  
•     kvm_arch_vcpu_postcreate(vcpu);
  
•     return r;
  
• 
  
• unlock_vcpu_destroy:
  
•     mutex_unlock(&kvm->lock);
  
• vcpu_destroy:
  
•     kvm_arch_vcpu_destroy(vcpu);
  
•     return r;
  
• }
  

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_create()-->kvm_x86_ops->vcpu_create()-->vmx_create_vcpu():

• /*
  
  
•   * Intel x86架构中创建并初始化VCPU中架构相关部分
  
•   */
  
• static struct kvm_vcpu *vmx_create_vcpu(struct kvm *kvm, unsigned int id)
  
• {
  
•     int err;
  
•     // 从slab中，分配vcpu_vmx结构体，其中包括VMX技术硬件相关信息。
  
•     struct vcpu_vmx *vmx = kmem_cache_zalloc(kvm_vcpu_cache, GFP_KERNEL);
  
•     int cpu;
  
• 
  
•     if (!vmx)
  
•         return ERR_PTR(-ENOMEM);
  
•     // 分配vpid，vpid为VCPU的唯一标识。
  
•     allocate_vpid(vmx);
  
•     // 初始化vmx中的vcpu结构
  
•     err = kvm_vcpu_init(&vmx->vcpu, kvm, id);
  
•     if (err)
  
•         goto free_vcpu;
  
•     // 分配Guest的msr寄存器保存区
  
•     vmx->guest_msrs = kmalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);
  
•     err = -ENOMEM;
  
•     if (!vmx->guest_msrs) {
  
•         goto uninit_vcpu;
  
•     }
  
• 
  
•     vmx->loaded_vmcs = &vmx->vmcs01;
  
•     /*
  
•      * 分配VMCS结构，该结构用于保存虚拟机和虚拟机监控器的系统编程接口状态。
  
•      * 当执行VM exit和VM entry操作时，VT-x自动根据VMCS中的内容完成虚拟机和虚拟机监
  
•      * 控器间的系统编程接口状态切换。
  
•      */
  
•     vmx->loaded_vmcs->vmcs = alloc_vmcs();
  
•     if (!vmx->loaded_vmcs->vmcs)
  
•         goto free_msrs;
  
•     // 是否设置了vmm_exclusive
  
•     if (!vmm_exclusive)
  
•         // VMXON指令用于开启VMX模式
  
•         kvm_cpu_vmxon(__pa(per_cpu(vmxarea, raw_smp_processor_id())));
  
•     loaded_vmcs_init(vmx->loaded_vmcs);
  
•     if (!vmm_exclusive)
  
•         // VMXON指令用于关闭VMX模式
  
•         kvm_cpu_vmxoff();
  
•     // 当前cpu
  
•     cpu = get_cpu();
  
•     // KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU
  
•     vmx_vcpu_load(&vmx->vcpu, cpu);
  
•     vmx->vcpu.cpu = cpu;
  
•     // 设置vmx相关信息
  
•     err = vmx_vcpu_setup(vmx);
  
•     vmx_vcpu_put(&vmx->vcpu);
  
•     put_cpu();
  
•     if (err)
  
•         goto free_vmcs;
  
•     if (vm_need_virtualize_apic_accesses(kvm)) {
  
•         err = alloc_apic_access_page(kvm);
  
•         if (err)
  
•             goto free_vmcs;
  
•     }
  
•     // 是否支持EPT
  
•     if (enable_ept) {
  
•         if (!kvm->arch.ept_identity_map_addr)
  
•             kvm->arch.ept_identity_map_addr =
  
•                 VMX_EPT_IDENTITY_PAGETABLE_ADDR;
  
•         err = -ENOMEM;
  
•         // 分配identity页表
  
•         if (alloc_identity_pagetable(kvm) != 0)
  
•             goto free_vmcs;
  
•         // 初始化identity页表
  
•         if (!init_rmode_identity_map(kvm))
  
•             goto free_vmcs;
  
•     }
  
• 
  
•     vmx->nested.current_vmptr = -1ull;
  
•     vmx->nested.current_vmcs12 = NULL;
  
• 
  
•     return &vmx->vcpu;
  
• 
  
• free_vmcs:
  
•     free_loaded_vmcs(vmx->loaded_vmcs);
  
• free_msrs:
  
•     kfree(vmx->guest_msrs);
  
• uninit_vcpu:
  
•     kvm_vcpu_uninit(&vmx->vcpu);
  
• free_vcpu:
  
•     free_vpid(vmx);
  
•     kmem_cache_free(kvm_vcpu_cache, vmx);
  
•     return ERR_PTR(err);
  
• }
  

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_setup():

• int kvm_arch_vcpu_setup(struct kvm_vcpu *vcpu)
  
  
• {
  
•     int r;
  
• 
  
•     vcpu->arch.mtrr_state.have_fixed = 1;
  
•     // KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU
  
•     r = vcpu_load(vcpu);
  
•     if (r)
  
•         return r;
  
•     // vcpu重置，包括相关寄存器、时钟、pmu等，最终调用vmx_vcpu_reset
  
•     kvm_vcpu_reset(vcpu);
  
•     /*
  
•      * 进行虚拟机mmu相关设置，比如进行ept页表的相关初始工作或影子页表
  
•      * 相关的设置。
  
•      */
  
•     r = kvm_mmu_setup(vcpu);
  
•     vcpu_put(vcpu);
  
• 
  
•     return r;
  
• }
  

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_setup()-->kvm_mmu_setup()-->init_kvm_mmu():

• static int init_kvm_mmu(struct kvm_vcpu *vcpu)
  
  
• {
  
•     // NPT(Nested page table，AMD x86硬件提供的内存虚拟化技术，相当于Intel中的EPT技术)相关初始化
  
•     if (mmu_is_nested(vcpu))
  
•         return init_kvm_nested_mmu(vcpu);
  
•     /*
  
•      * EPT(Extended page table，Intel x86硬件提供的内存虚拟化技术)相关初始化
  
•      * 主要是设置一些函数指针，其中比较重要的如缺页异常处理函数
  
•      */
  
•     else if (tdp_enabled)
  
•         return init_kvm_tdp_mmu(vcpu);
  
•     // 影子页表(软件实现内存虚拟化技术)相关初始化
  
•     else
  
•         return init_kvm_softmmu(vcpu);
  
• }