KVM源代码分析2:虚拟机的创建与运行

转自：www.oenhan.com

基本原理里面提到kvm虚拟化由用户态程序Qemu和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，KVM部分另外开篇再说。

代码：

QEMU：git://git.qemu.org/qemu.git v2.4.0

KVM：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git v4.2

QEMU和KVM是通过IOCTL进行配合的，直接抓住这个线看有kvm_ioctl、kvm_vm_ioctl、kvm_vcpu_ioctl、kvm_device_ioctl等，他们还都在一个C文件里面。

使用kvm_ioctl很少了，直接看调用的代码，有KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE，KVM_CHECK_EXTENSION，KVM_GET_API_VERSION，KVM_CREATE_VM，KVM_GET_SUPPORTED_CPUID等等，需要记住只有KVM_CREATE_VM。

而调用kvm_vm_ioctl的函数真是海了去了，需要看的是KVM_SET_USER_MEMORY_REGION，KVM_CREATE_VCPU，KVM_CREATE_DEVICE。

所有寄存器的交换信息都是通过kvm_vcpu_ioctl，需要记住的操作只有，KVM_RUN。

所有看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，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module_init注册的，而调用module_init的有

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#define block_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_BLOCK) #define machine_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_MACHINE) #define qapi_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_QAPI) #define type_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_QOM)

那么执行machine_init则是挂到了MODULE_INIT_MACHINE，type_init则将函数挂载了MODULE_INIT_QOM。那么排查一下是，我们只关注PC的注册，那么就是machine_init(pc_machine_init_##suffix)，源自DEFINE_PC_MACHINE(suffix, namestr, initfn, optsfn)宏，而DEFINE_I440FX_MACHINE有

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#define DEFINE_I440FX_MACHINE(suffix, name, compatfn, optionfn)     static void pc_init_##suffix(MachineState *machine)     {         void (*compat)(MachineState *m) = (compatfn);         if (compat) {             compat(machine);         }         pc_init1(machine);     }     DEFINE_PC_MACHINE(suffix, name, pc_init_##suffix, optionfn)   #define DEFINE_PC_MACHINE(suffix, namestr, initfn, optsfn)     static void pc_machine_##suffix##_class_init(ObjectClass *oc, void *data)     {         MachineClass *mc = MACHINE_CLASS(oc);         optsfn(mc);         mc->name = namestr;         mc->init = initfn;     }     static const TypeInfo pc_machine_type_##suffix = {         .name       = namestr TYPE_MACHINE_SUFFIX,         .parent     = TYPE_PC_MACHINE,         .class_init = pc_machine_##suffix##_class_init,     };     static void pc_machine_init_##suffix(void)     {         type_register(&pc_machine_type_##suffix);     }     machine_init(pc_machine_init_##suffix)

DEFINE_PC_MACHINE注册的函数pc_init_##suffix在DEFINE_I440FX_MACHINE中定义，怎么组合都无关，pc_init1(machine)函数一定要执行，本质就是pc_init1赋值给了mc->init，其他爱看不看吧。
而module_init的宏是

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#define module_init(function, type)                                         static void __attribute__((constructor)) do_qemu_init_ ## function(void)     {                                                                               register_dso_module_init(function, type);                               } #else /* This should not be used directly.  Use block_init etc. instead.  */ #define module_init(function, type)                                         static void __attribute__((constructor)) do_qemu_init_ ## function(void)     {                                                                               register_module_init(function, type);                                   }

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。所有type_init(kvm_type_init）-> kvm_accel_type -> kvm_accel_class_init -> kvm_init依次完成了函数注册，所有说module_call_init(MODULE_INIT_QOM)函数已经完成了kvm_init的执行，所有这样就清楚KVM调用关系了。
如此就先去看kvm_init函数，前面主要干了一件事，填充KVMState *s结构体，然后通过kvm_ioctl(s, KVM_GET_API_VERSION, 0)判断内核KVM驱动和当前QEMU版本是否兼容，下面则是执行kvm_ioctl(s, KVM_CREATE_VM, type)进行虚拟机的创建活动，创建了KVM虚拟机，获取虚拟机。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kvm_init的工作就完成了，最主要的工作就是创建的虚拟机。

这样绕了这么大圈，重新回到vl.c上面来，前面刚说了module_call_init(MODULE_INIT_MACHINE)本质就是把pc_init1赋值给了mc->init，然后machine_class = find_default_machine()，如此可以看到machine_class的init函数一定会执行pc_init1。

下面涉及对OPT入参的解析过程略过不提。 qemu准备的类型从下面语句获得:

C

1 2	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_noisily(olist, optarg, true);                 if (!opts) {                     exit(1);                 }                 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

下面有cpu_exec_init_all就是执行了qemu的内存结构体的初始化而已，cpudef_init则提供了VCPU的不同型号的模拟，qemu_set_log设置日志输出，kvm对外的日志是从这里配置的。中间的乱七八糟的就忽略掉即可，然后直接到了machine_class->init(current_machine)函数，其实就是执行了pc_init1。暂且记下来，先看下面的，cpu_synchronize_all_post_init就是内核和qemu数据不一致同步一下。下面的函数没有重要的了，只有vm_start()函数需要记一下，后面会用到。

现在进入pc_init1函数：

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，vga等函数的初始化先忽略掉，先看这两个。
pc_cpus_init入参是cpu_model，前面说过这是具体的CPU模型，所有X86的CPU模型都在builtin_x86_defs中定义，取其中一个看看

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{         .name = "SandyBridge",         .level = 0xd,         .vendor = CPUID_VENDOR_INTEL,         .family = 6,         .model = 42,         .stepping = 1,         .features[FEAT_1_EDX] =             CPUID_VME | CPUID_SSE2 | CPUID_SSE | CPUID_FXSR | CPUID_MMX |             CPUID_CLFLUSH | CPUID_PSE36 | CPUID_PAT | CPUID_CMOV | CPUID_MCA |             CPUID_PGE | CPUID_MTRR | CPUID_SEP | CPUID_APIC | CPUID_CX8 |             CPUID_MCE | CPUID_PAE | CPUID_MSR | CPUID_TSC | CPUID_PSE |             CPUID_DE | CPUID_FP87,         .features[FEAT_1_ECX] =             CPUID_EXT_AVX | CPUID_EXT_XSAVE | CPUID_EXT_AES |             CPUID_EXT_TSC_DEADLINE_TIMER | CPUID_EXT_POPCNT |             CPUID_EXT_X2APIC | CPUID_EXT_SSE42 | CPUID_EXT_SSE41 |             CPUID_EXT_CX16 | CPUID_EXT_SSSE3 | CPUID_EXT_PCLMULQDQ |             CPUID_EXT_SSE3,         .features[FEAT_8000_0001_EDX] =             CPUID_EXT2_LM | CPUID_EXT2_RDTSCP | CPUID_EXT2_NX |             CPUID_EXT2_SYSCALL,         .features[FEAT_8000_0001_ECX] =             CPUID_EXT3_LAHF_LM,         .features[FEAT_XSAVE] =             CPUID_XSAVE_XSAVEOPT,         .features[FEAT_6_EAX] =             CPUID_6_EAX_ARAT,         .xlevel = 0x80000008,         .model_id = "Intel Xeon E312xx (Sandy Bridge)",     },

你可以cat一个本地的/proc/cpuinfo，builtin_x86_defs定义的就是这些参数。
然后是for循环中针对每个CPU初始化，即pc_new_cpu，直接进入cpu_x86_create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

1	#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：

C

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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

C

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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。