深入探索Linux虚拟化KVM-Qemu分析之CPU虚拟化

说明：

KVM版本：5.9.1
QEMU版本：5.0.0
工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

本文围绕ARMv8 CPU的虚拟化展开；
本文会结合Qemu + KVM的代码分析，捋清楚上层到底层的脉络；
本文会提供一个Sample Code，用于类比Qemu和KVM的关系.

先来两段前戏。

1.1 CPU工作原理

AI的世界，程序的执行不再冰冷，CPU对a.out说，hello啊，world已经ok啦，下来return吧!

既然要说CPU的虚拟化，那就先简要介绍一下CPU的工作原理：

CPU的根本任务是执行指令，我们常说的取指-译码-执行-访存-写回，就是典型的指令Pipeline操作；
从CPU的功能出发，可以简要分成三个逻辑模块：
Control Unit：CPU的指挥中心，协调数据的移动；
ALU：运算单元，执行CPU内部所有的计算；
Register：寄存器和Cache，都算是CPU内部的存储单元，其中寄存器可用于存储需要被译码和执行的指令、数据、地址等；
CPU从内存中读取指令进行译码并执行，执行的过程中需要去访问内存中的数据，CPU内部的寄存器可以暂存中间的指令和数据等信息，通常说的CPU的context指的就是CPU寄存器值；

在硬件支持虚拟化之前，Qemu纯软件虚拟化方案，是通过tcg（tiny code generator）的方式来进行指令翻译，翻译成Host处理器架构的指令来执行。硬件虚拟化技术，是让虚拟机能直接执行在Host CPU上，让Host CPU直接来执行虚拟机，结合CPU的实际工作原理，应该怎么来理解呢？来张图：

CPU通过pc寄存器获取下一条执行指令，进行取指译码执行等操作，因此给定CPU一个Context，自然就能控制其执行某些代码；
CPU的虚拟化，最终目标让虚拟机执行在CPU上，无非也是要进行CPU的Context切换，控制CPU去执行对应的代码，下文会进一步阐述；

既然都讲CPU了，那就捎带介绍下ARMv8的寄存器吧：

通用寄存器：

图中描述的是EL3以下，AArch32与AArch64寄存器对应关系；
AArch64中，总共31个通用寄存器，64bit的为X0-X30，32bit的为W0-W30；

特殊用途寄存器：

这些特殊用途的寄存器，主要分为三种：1）存放异常返回地址的ELR_ELx；2）各个EL的栈指针SP_ELx；3）CPU的状态相关寄存器；

CPU的状态PSTATE：

CPU的状态在AArch32时是通过CPSR来获取，在AArch64中，使用PSTATE，PSTATE不是一个寄存器，它表示的是保存当前CPU状态信息的一组寄存器或一些标志信息的统称；

好了，ARMv8的介绍该打住了，否则要跑偏了。。。

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1.2 guest模式

Linux系统有两种执行模式：kernel模式与user模式，为了支持虚拟化功能的CPU，KVM向Linux内核提供了guest模式，用于执行虚拟机系统非I/O的代码；
user模式，对应的是用户态执行，Qemu程序就执行在user模式下，并循环监听是否有I/O需要模拟处理；
kernel模式，运行kvm模块代码，负责将CPU切换到VM的执行，其中包含了上下文的load/restore；
guest模式，本地运行VM的非I/O代码，在某些异常情况下会退出该模式，Host OS开始接管；

好了啦，前戏结束，开始直奔主题吧。

2. 流程分析

不管你说啥，我上来就是一句中国共产党万岁，对不起，跑题了。我上来就是一张Qemu初始化流程图：

看过Qemu源代码的人可能都有种感觉，一开始看好像摸不到门框，这图简要画了下关键模块的流程；
Qemu的源代码，后续的文章会详细介绍，本文只focus在vcpu相关部分；

除了找到了qemu_init_vcpu的入口，这张图好像跟本文的vcpu的虚拟化关系不是很大，不管了，就算是给后续的Qemu分析打个广告吧。

2.1 vcpu的创建

2.1.1 qemu中vcpu创建

Qemu初始化流程图中，找到了qemu_init_vcpu的入口，顺着这个qemu_init_vcpu就能找到与底层KVM模块交互的过程；
Qemu中为每个vcpu创建了一个线程，操作设备节点来创建和初始化vcpu；

所以，接力棒甩到了KVM内核模块。

2.1.2 kvm中vcpu创建

来一张前文的图：

前文中分析过，系统在初始化的时候会注册字符设备驱动，设置好了各类操作函数集，等待用户层的ioctl来进行控制；
Qemu中设置KVM_CREATE_VCPU，将触发kvm_vm_ioctl_create_vcpu的执行，完成vcpu的创建工作；

在底层中进行vcpu的创建工作，主要是分配一个kvm_vcpu结构，并且对该结构中的字段进行初始化；
其中有一个用于与应用层进行通信的数据结构struct kvm_run，分配一页内存，应用层会调用mmap来进行映射，并且会从该结构中获取到虚拟机的退出原因；
kvm_arch_vcpu_create主要完成体系架构相关的初始化，包括timer，pmu，vgic等；
create_hyp_mappings将kvm_vcpu结构体建立映射，以便在Hypervisor模式下能访问该结构；
create_vcpu_fd注册了kvm_vcpu_fops操作函数集，针对vcpu进行操作，Qemu中设置KVM_ARM_VCPU_INIT，将触发kvm_arch_vcpu_ioctl_vcpu_init的执行，完成的工作主要是vcpu的核心寄存器，系统寄存器等的reset操作，此外还包含了上层设置下来的值，放置在struct kvm_vcpu_init中；

2.2 vcpu的执行

2.2.1 qemu中vcpu的执行

Qemu中为每一个vcpu创建一个用户线程，完成了vcpu的初始化后，便进入了vcpu的运行，而这是通过kvm_cpu_exec函数来完成的；
kvm_cpu_exec函数中，调用kvm_vcpu_ioctl(,KVM_RUN,)来让底层的物理CPU进行运行，并且监测VM的退出，而这个退出原因就是存在放在kvm_run->exit_reason中，也就是上文中提到过的应用层与底层交互的机制；

2.2.2 kvm中vcpu的执行

用户层通过KVM_RUN命令，将触发KVM模块中kvm_arch_vcpu_ioctl_run函数的执行：

vcpu最终是要放置在物理CPU上执行的，很显然，我们需要进行context的切换：保存好Host的Context，并切换到Guest的Context去执行，最终在退出时再恢复回Host的Context；
__guest_enter函数完成最终的context切换，进入Guest的执行，当Guest退出时，fixup_guest_exit将会处理exit_code，判断是否继续返回Guest执行；
当最终Guest退出到Host时，Host调用handle_exit来处理异常退出，根据kvm_get_exit_handler去查询异常处理函数表对应的处理函数，最终进行执行处理；

3. Sample Code

上文已经将Qemu+KVM的CPU的虚拟化大概的轮廓已经介绍了，方方面面，问题不大；
来一段Sample Code类比Qemu和KVM的关系，在Ubuntu16.04系统上进行测试；

简要介绍一下：

tiny_kernel.S，相当于Qemu中运行的Guest OS，完成的功能很简单，没错，就是Hello, world打印；
tiny_qemu.c，相当于Qemu，用于加载Guest到vCPU上运行，最终通过kvm放到物理CPU上运行；

鲁迅在1921年的时候，说过这么一句话：Talk is cheap, show me the code。

tiny_kernel.S：

start:
/* Hello */
mov     $0x48, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x65, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x6c, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x6c, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x6f, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x2c, %al
outb    %al, $0xf1

/* world */
mov     $0x77, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x6f, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x72, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x6c, %al
outb    %al, $0xf1
mov     $0x64, %al
outb    %al, $0xf1

mov     $0x0a, %al
outb    %al, $0xf1

hlt

tiny_qemu.c：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/kvm.h>
#include <sys/mman.h>

#define KVM_DEV     "/dev/kvm"
#define TINY_KERNEL_FILE    "./tiny_kernel.bin"
#define PAGE_SIZE  0x1000

int main(void)
{
    int kvm_fd;
    int vm_fd;
    int vcpu_fd;
    int tiny_kernel_fd;
    int ret;
    int mmap_size;
  
    struct kvm_sregs sregs;
    struct kvm_regs regs;
    struct kvm_userspace_memory_region mem;
    struct kvm_run *kvm_run;
    void *userspace_addr;

    /* open kvm device */
    kvm_fd = open(KVM_DEV, O_RDWR);
    assert(kvm_fd > 0);

    /* create VM */
    vm_fd = ioctl(kvm_fd, KVM_CREATE_VM, 0);
    assert(vm_fd >= 0);

    /* create VCPU */
    vcpu_fd = ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_VCPU, 0);
    assert(vcpu_fd >= 0);

    /* open tiny_kernel binary file */
    tiny_kernel_fd = open(TINY_KERNEL_FILE, O_RDONLY);
    assert(tiny_kernel_fd > 0);
    /* map 4K into memory */
    userspace_addr = mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    assert(userspace_addr > 0);
    /* read tiny_kernel binary into the memory */
    ret = read(tiny_kernel_fd, userspace_addr, PAGE_SIZE);
    assert(ret >= 0);

    /* set user memory region */
    mem.slot = 0;
    mem.flags = 0;
    mem.guest_phys_addr = 0;
    mem.memory_size = PAGE_SIZE;
    mem.userspace_addr = (unsigned long)userspace_addr;
    ret = ioctl(vm_fd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &mem);
    assert(ret >= 0);

    /* get kvm_run */
    mmap_size = ioctl(kvm_fd, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, NULL);
    assert(mmap_size >= 0);
    kvm_run = (struct kvm_run *)mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, vcpu_fd, 0);
    assert(kvm_run >= 0);

    /* set cpu registers */
    ret = ioctl(vcpu_fd, KVM_GET_SREGS, &sregs);
    assert(ret >= 0);
    sregs.cs.base = 0;
    sregs.cs.selector = 0;
    ret = ioctl(vcpu_fd, KVM_SET_SREGS, &sregs);
    memset(®s, 0, sizeof(struct kvm_regs));
    regs.rip = 0;
    ret = ioctl(vcpu_fd, KVM_SET_REGS, ®s);
    assert(ret >= 0);

    /* vcpu run */
    while (1) {
        ret = ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, NULL);
        assert(ret >= 0);

        switch(kvm_run->exit_reason) {
            case KVM_EXIT_HLT:
                printf("----KVM EXIT HLT----\n");
                close(kvm_fd);
                close(tiny_kernel_fd);
                return 0;
            case KVM_EXIT_IO:
                putchar(*(((char *)kvm_run) + kvm_run->io.data_offset));
                break;
            default:
                printf("Unknow exit reason: %d\n", kvm_run->exit_reason);
                break;
        }
    }

    return 0;
}

为了表明我没有骗人，上一张在Ubuntu16.04的虚拟机上运行的结果图吧：