CPU虚拟化的过程

news2025/1/23 9:31:05

VMCS 是Virtual Machine Control Structure。是 Intel 实现 CPU 虚拟化，记录 vCPU 状态的一个关键数据结构。VMCS 数据结构主要包含以下信息。

Guest-state area，即 vCPU 的状态信息，包括 vCPU 的基本运行环境，例如寄存器等。
Host-state area，是物理 CPU 的状态信息。物理 CPU 和 vCPU 之间也会来回切换，所以，VMCS 中既要记录 vCPU 的状态，也要记录物理 CPU 的状态。
VM-execution control fields，对 vCPU 的运行行为进行控制。例如，发生中断怎么办，是否使用 EPT（Extended Page Table）功能等。

VM-Entry，我们称为从根模式切换到非根模式，也即切换到 guest 上，这个时候 CPU 上运行的是虚拟机。VM-Exit 我们称为 CPU 从非根模式切换到根模式，也即从 guest 切换到宿主机。例如，当要执行一些虚拟机没有权限的敏感指令时。

为了维护这两个动作，VMCS 里面还有几项内容：

VM-exit control fields，对 VM Exit 的行为进行控制。比如，VM Exit 的时候对 vCPU 来说需要保存哪些 MSR 寄存器，对于主机 CPU 来说需要恢复哪些 MSR 寄存器。
VM-entry control fields，对 VM Entry 的行为进行控制。比如，需要保存和恢复哪些 MSR 寄存器等。
VM-exit information fields，记录下发生 VM Exit 发生的原因及一些必要的信息，方便对 VM Exit 事件进行处理。

CPU 的虚拟化过程还是很复杂的。如下面这张图。

首先，我们要定义 CPU 这种类型的 TypeInfo 和 TypeImpl、继承关系，并且声明它的类初始化函数。
在 qemu 的 main 函数中调用 MachineClass 的 init 函数，这个函数既会初始化 CPU，也会初始化内存。
CPU 初始化的时候，会调用 pc_new_cpu 创建一个虚拟 CPU，它会调用 CPU 这个类的初始化函数。
每一个虚拟 CPU 会调用 qemu_thread_create 创建一个线程，线程的执行函数为 qemu_kvm_cpu_thread_fn。
在虚拟 CPU 对应的线程执行函数中，我们先是调用 kvm_vm_ioctl(KVM_CREATE_VCPU)，在内核的 KVM 里面，创建一个结构 struct vcpu_vmx，表示这个虚拟 CPU。在这个结构里面，有一个 VMCS，用于保存当前虚拟机 CPU 的运行时的状态，用于状态切换。
在虚拟 CPU 对应的线程执行函数中，我们接着调用 kvm_vcpu_ioctl(KVM_RUN)，在内核的 KVM 里面运行这个虚拟机 CPU。运行的方式是保存宿主机的寄存器，加载客户机的寄存器，然后调用 __ex(ASM_VMX_VMLAUNCH) 或者 __ex(ASM_VMX_VMRESUME)，进入客户机模式运行。一旦退出客户机模式，就会保存客户机寄存器，加载宿主机寄存器，进入宿主机模式运行，并且会记录退出虚拟机模式的原因。大部分的原因是等待 I/O，因而宿主机调用 kvm_handle_io 进行处理。