深入探索Linux虛擬化KVM-Qemu分析之CPU虛擬化
說明：
KVM版本：5.9.1
QEMU版本：5.0.0
工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
本文圍繞ARMv8 CPU的虛擬化展開；
本文會結(jié)合Qemu + KVM的代碼分析，捋清楚上層到底層的脈絡(luò)；
本文會提供一個Sample Code，用于類比Qemu和KVM的關(guān)系，總而言之，大同小異，大題小做，大道至簡，大功告成，大恩不言謝；
先來兩段前戲。
1.1 CPU工作原理
AI的世界，程序的執(zhí)行不再冰冷，CPU對a.out說，hello啊，world已經(jīng)ok啦，下來return吧!
既然要說CPU的虛擬化，那就先簡要介紹一下CPU的工作原理：
CPU的根本任務(wù)是執(zhí)行指令，我們常說的
取指-譯碼-執(zhí)行-訪存-寫回，就是典型的指令Pipeline操作；從CPU的功能出發(fā)，可以簡要分成三個邏輯模塊：
Control Unit：CPU的指揮中心，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的移動；ALU：運(yùn)算單元，執(zhí)行CPU內(nèi)部所有的計算；Register：寄存器和Cache，都算是CPU內(nèi)部的存儲單元，其中寄存器可用于存儲需要被譯碼和執(zhí)行的指令、數(shù)據(jù)、地址等；CPU從內(nèi)存中讀取指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行，執(zhí)行的過程中需要去訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，CPU內(nèi)部的寄存器可以暫存中間的指令和數(shù)據(jù)等信息，通常說的CPU的
context指的就是CPU寄存器值；
在硬件支持虛擬化之前，Qemu純軟件虛擬化方案，是通過tcg（tiny code generator）的方式來進(jìn)行指令翻譯，翻譯成Host處理器架構(gòu)的指令來執(zhí)行。硬件虛擬化技術(shù)，是讓虛擬機(jī)能直接執(zhí)行在Host CPU上，讓Host CPU直接來執(zhí)行虛擬機(jī)，結(jié)合CPU的實(shí)際工作原理，應(yīng)該怎么來理解呢？來張圖：
CPU通過
pc寄存器獲取下一條執(zhí)行指令，進(jìn)行取指譯碼執(zhí)行等操作，因此給定CPU一個Context，自然就能控制其執(zhí)行某些代碼；CPU的虛擬化，最終目標(biāo)讓虛擬機(jī)執(zhí)行在CPU上，無非也是要進(jìn)行CPU的Context切換，控制CPU去執(zhí)行對應(yīng)的代碼，下文會進(jìn)一步闡述；
既然都講CPU了，那就捎帶介紹下ARMv8的寄存器吧：
通用寄存器：
圖中描述的是
EL3以下，AArch32與AArch64寄存器對應(yīng)關(guān)系；AArch64中，總共31個通用寄存器，64bit的為X0-X30，32bit的為W0-W30；
特殊用途寄存器：
這些特殊用途的寄存器，主要分為三種：1）存放異常返回地址的
ELR_ELx；2）各個EL的棧指針SP_ELx；3）CPU的狀態(tài)相關(guān)寄存器；
CPU的狀態(tài)
PSTATE：
CPU的狀態(tài)在
AArch32時是通過CPSR來獲取，在AArch64中，使用PSTATE，PSTATE不是一個寄存器，它表示的是保存當(dāng)前CPU狀態(tài)信息的一組寄存器或一些標(biāo)志信息的統(tǒng)稱；
好了，ARMv8的介紹該打住了，否則要跑偏了。。。
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1.2 guest模式
Linux系統(tǒng)有兩種執(zhí)行模式：kernel模式與user模式，為了支持虛擬化功能的CPU，KVM向Linux內(nèi)核提供了guest模式，用于執(zhí)行虛擬機(jī)系統(tǒng)非I/O的代碼；
user模式，對應(yīng)的是用戶態(tài)執(zhí)行，Qemu程序就執(zhí)行在user模式下，并循環(huán)監(jiān)聽是否有I/O需要模擬處理；
kernel模式，運(yùn)行kvm模塊代碼，負(fù)責(zé)將CPU切換到VM的執(zhí)行，其中包含了上下文的load/restore；
guest模式，本地運(yùn)行VM的非I/O代碼，在某些異常情況下會退出該模式，Host OS開始接管；
好了啦，前戲結(jié)束，開始直奔主題吧。
2. 流程分析
不管你說啥，我上來就是一句中國共產(chǎn)黨萬歲，對不起，跑題了。我上來就是一張Qemu初始化流程圖：
看過Qemu源代碼的人可能都有種感覺，一開始看好像摸不到門框，這圖簡要畫了下關(guān)鍵模塊的流程；
Qemu的源代碼，后續(xù)的文章會詳細(xì)介紹，本文只focus在
vcpu相關(guān)部分；
除了找到了qemu_init_vcpu的入口，這張圖好像跟本文的vcpu的虛擬化關(guān)系不是很大，不管了，就算是給后續(xù)的Qemu分析打個廣告吧。
2.1 vcpu的創(chuàng)建
2.1.1 qemu中vcpu創(chuàng)建
Qemu初始化流程圖中，找到了
qemu_init_vcpu的入口，順著這個qemu_init_vcpu就能找到與底層KVM模塊交互的過程；Qemu中為每個vcpu創(chuàng)建了一個線程，操作設(shè)備節(jié)點(diǎn)來創(chuàng)建和初始化vcpu；
所以，接力棒甩到了KVM內(nèi)核模塊。
2.1.2 kvm中vcpu創(chuàng)建
來一張前文的圖：
前文中分析過，系統(tǒng)在初始化的時候會注冊字符設(shè)備驅(qū)動，設(shè)置好了各類操作函數(shù)集，等待用戶層的
ioctl來進(jìn)行控制；Qemu中設(shè)置KVM_CREATE_VCPU，將觸發(fā)kvm_vm_ioctl_create_vcpu的執(zhí)行，完成vcpu的創(chuàng)建工作；
在底層中進(jìn)行vcpu的創(chuàng)建工作，主要是分配一個
kvm_vcpu結(jié)構(gòu)，并且對該結(jié)構(gòu)中的字段進(jìn)行初始化；其中有一個用于與應(yīng)用層進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct kvm_run，分配一頁內(nèi)存，應(yīng)用層會調(diào)用mmap來進(jìn)行映射，并且會從該結(jié)構(gòu)中獲取到虛擬機(jī)的退出原因；kvm_arch_vcpu_create主要完成體系架構(gòu)相關(guān)的初始化，包括timer，pmu，vgic等；create_hyp_mappings將kvm_vcpu結(jié)構(gòu)體建立映射，以便在Hypervisor模式下能訪問該結(jié)構(gòu)；create_vcpu_fd注冊了kvm_vcpu_fops操作函數(shù)集，針對vcpu進(jìn)行操作，Qemu中設(shè)置KVM_ARM_VCPU_INIT，將觸發(fā)kvm_arch_vcpu_ioctl_vcpu_init的執(zhí)行，完成的工作主要是vcpu的核心寄存器，系統(tǒng)寄存器等的reset操作，此外還包含了上層設(shè)置下來的值，放置在struct kvm_vcpu_init中；
2.2 vcpu的執(zhí)行
2.2.1 qemu中vcpu的執(zhí)行
Qemu中為每一個vcpu創(chuàng)建一個用戶線程，完成了vcpu的初始化后，便進(jìn)入了vcpu的運(yùn)行，而這是通過kvm_cpu_exec函數(shù)來完成的；kvm_cpu_exec函數(shù)中，調(diào)用kvm_vcpu_ioctl(,KVM_RUN,)來讓底層的物理CPU進(jìn)行運(yùn)行，并且監(jiān)測VM的退出，而這個退出原因就是存在放在kvm_run->exit_reason中，也就是上文中提到過的應(yīng)用層與底層交互的機(jī)制；
2.2.2 kvm中vcpu的執(zhí)行
用戶層通過KVM_RUN命令，將觸發(fā)KVM模塊中kvm_arch_vcpu_ioctl_run函數(shù)的執(zhí)行：
vcpu最終是要放置在物理CPU上執(zhí)行的，很顯然，我們需要進(jìn)行context的切換：保存好Host的Context，并切換到Guest的Context去執(zhí)行，最終在退出時再恢復(fù)回Host的Context；
__guest_enter函數(shù)完成最終的context切換，進(jìn)入Guest的執(zhí)行，當(dāng)Guest退出時，fixup_guest_exit將會處理exit_code，判斷是否繼續(xù)返回Guest執(zhí)行；當(dāng)最終Guest退出到Host時，Host調(diào)用
handle_exit來處理異常退出，根據(jù)kvm_get_exit_handler去查詢異常處理函數(shù)表對應(yīng)的處理函數(shù)，最終進(jìn)行執(zhí)行處理；
3. Sample Code
上文已經(jīng)將Qemu+KVM的CPU的虛擬化大概的輪廓已經(jīng)介紹了，方方面面，問題不大；
來一段Sample Code類比Qemu和KVM的關(guān)系，在Ubuntu16.04系統(tǒng)上進(jìn)行測試；
簡要介紹一下：
tiny_kernel.S，相當(dāng)于Qemu中運(yùn)行的Guest OS，完成的功能很簡單，沒錯，就是
Hello, world打印；tiny_qemu.c，相當(dāng)于Qemu，用于加載Guest到vCPU上運(yùn)行，最終通過kvm放到物理CPU上運(yùn)行；
魯迅在1921年的時候，說過這么一句話：Talk is cheap, show me the code。
tiny_kernel.S：
tiny_qemu.c：
為了表明我沒有騙人，上一張在Ubuntu16.04的虛擬機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果圖吧：
原文作者：LoyenWang
