vhost前后端通知机制场景分析

vhost前后端通知机制场景分析

——lvyilong316

这篇文章主要详细的分析一下vhost的通知机制，前面的一些文章陆续也对前后端的通知有所介绍，这里相当于算是一次汇总吧。

所谓前后端通知，必然涉及两个方向：前端通知后端，后端通知前端。而我们知道vhost有txq和rxq，对于每种queue都伴随有这两种通知。而通知方式又根据是否支持event_idx有着不同的实现，最后virtio1.1引入的packed ring后，通知相对split ring又有不同。下面我们以txq，rxq的两个方向共四种情况来分析前后端的通知实现。其中前端以kernel4.9 virtio_net实现为例分析，后端以dpdk 18.11 vhost_user实现分析。在展开前后端通知分析前，我们先了解两个背景知识：前端中断处理函数的注册和后端vhost_user的kick方式。

前端中断处理函数注册

后端对前端的通知，是以中断方式传递到前端的。分析通知的接收处理就少不了要了解这些中断处理函数。所以我们先看一下前端是怎么注册中断处理函数的。这些需要从virtio_net的加载函数virtnet_probe说起，具体如下图所示。

    我们知道virtio设备分为morden和lagecy两种，我们以morden设备为例。对于morden设备，会调用virtio_pci_modern_probe初始化config ops：

vp_dev->vdev.config = &virtio_pci_config_ops;

其find_vqs函数对应为vp_modern_find_vqs。vp_modern_find_vqs 其中主要调用vq_find_vqs函数。vp_find_vqs函数完成队列中断处理函数的初始化，根据设备对中断的支持，分为以下三种情况：

(1)     所有txq，rxq以及ctrlq都共享一个中断处理;

(2)     ctrlq单独使用一个中断处理，其他txq和rxq共享一个中断处理；

(3)     可以每个queue（包含txq，rxq以及ctrlq）各一个中断处理；

l  vp_find_vqs (kernel 4.9)

/* the config->find_vqs() implementation */
int vp_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
        struct virtqueue *vqs[],
        vq_callback_t *callbacks[],
        const char * const names[])
{
    int err;

    /* Try MSI-X with one vector per queue. */
    err = vp_try_to_find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, true, true);
    if (!err)
        return 0;
    /* Fallback: MSI-X with one vector for config, one shared for queues. */
    err = vp_try_to_find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names,
                 true, false);
    if (!err)
        return 0;
    /* Finally fall back to regular interrupts. */
    return vp_try_to_find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names,
                 false, false);
}

函数首先尝试方式（3）每个queue各一个中断处理，如果失败再尝试方式（2），如果再失败就只能使用方式（1）了。

我们看到每种方式都是调用同一个函数vp_try_to_find_vqs，只是传入的参数不同。那我们就来看下这个函数的主要内容。

l  vp_try_to_find_vqs

static int vp_try_to_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
                  struct virtqueue *vqs[],
                  vq_callback_t *callbacks[],
             const char * const names[],
                  bool use_msix,
                  bool per_vq_vectors)
{
    struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
    u16 msix_vec;
    int i, err, nvectors, allocated_vectors;

    vp_dev->vqs = kmalloc(nvqs * sizeof *vp_dev->vqs, GFP_KERNEL);
    if (!vp_dev->vqs)
        return -ENOMEM;

    if (!use_msix) {
        /* 方式1，所有txq，rxq以及ctrlq都共享一个中断处理 */
        /* Old style: one normal interrupt for change and all vqs. */
        err = vp_request_intx(vdev);
        if (err)
            goto error_find;
    } else {
        if (per_vq_vectors) {
            /* Best option: one for change interrupt, one per vq. */
         /* 方式3，可以每个queue一个中断处理 */
            nvectors = 1;
            for (i = 0; i < nvqs; ++i)
                if (callbacks[i])
                    ++nvectors;
        } else {
            /* Second best: one for change, shared for all vqs. */
         /* 方式2，ctrlq一个中断，其他txq和rxq共享一个中断处理 */
            nvectors = 2;
        }

        err = vp_request_msix_vectors(vdev, nvectors, per_vq_vectors);
        if (err)
            goto error_find;
    }

    vp_dev->per_vq_vectors = per_vq_vectors;
    allocated_vectors = vp_dev->msix_used_vectors;
    for (i = 0; i < nvqs; ++i) { /* 方式3的处理 */
        if (!names[i]) {
            vqs[i] = NULL;
            continue;
        } else if (!callbacks[i] || !vp_dev->msix_enabled)
            msix_vec = VIRTIO_MSI_NO_VECTOR;
        else if (vp_dev->per_vq_vectors)
            msix_vec = allocated_vectors++;
        else
            msix_vec = VP_MSIX_VQ_VECTOR;
        vqs[i] = vp_setup_vq(vdev, i, callbacks[i], names[i], msix_vec);
        if (IS_ERR(vqs[i])) {
            err = PTR_ERR(vqs[i]);
            goto error_find;
        }

        if (!vp_dev->per_vq_vectors || msix_vec == VIRTIO_MSI_NO_VECTOR)
            continue;

        /* allocate per-vq irq if available and necessary */
        snprintf(vp_dev->msix_names[msix_vec],
             sizeof *vp_dev->msix_names,
             "%s-%s",
             dev_name(&vp_dev->vdev.dev), names[i]);
        err = request_irq(vp_dev->msix_entries[msix_vec].vector,
                  vring_interrupt, 0,
                  vp_dev->msix_names[msix_vec],
                  vqs[i]);
        if (err) {
            vp_del_vq(vqs[i]);
            goto error_find;
        }
    }
    return 0;

error_find:
    vp_del_vqs(vdev);
    return err;
}

其中vp_request_intx函数完成方式1的处理，具体就是通过request_irq注册中断处理函数vp_interrupt；vp_request_msix_vectors函数完成方式2的处理，其中调用request_irq给ctrlq注册中断处理函数为vp_config_changed（方式3的ctrlq中断处理也是这里注册），调用request_irq给数据queue（txq，rxq）注册中断处理函数为vp_vring_interrupt；而方式3的剩余处理在本函数的后半部分，为每个数据queue调用request_irq注册中断处理函数vring_interrupt。如果查看代码会发现方式2数据queue共享的中断处理vp_vring_interrupt函数中也是通过遍历所有queue调用vring_interrupt实现的。所以我们重点关注vring_interrupt函数的实现，这是数据queue中断处理的核心。

l  vring_interrupt

irqreturn_t vring_interrupt(int irq, void *_vq)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);

    if (!more_used(vq)) { /* 如果没有更新uesd desc则不需要特殊处理直接返回 */
        pr_debug("virtqueue interrupt with no work for %p\n", vq);
        return IRQ_NONE;
    }

    if (unlikely(vq->broken))
        return IRQ_HANDLED;

    pr_debug("virtqueue callback for %p (%p)\n", vq, vq->vq.callback);
    if (vq->vq.callback)
        vq->vq.callback(&vq->vq);

    return IRQ_HANDLED;
}

static inline bool more_used(const struct vring_virtqueue *vq)
{
    return vq->last_used_idx != virtio16_to_cpu(vq->vq.vdev, vq->vring.used->idx);
}

    如果more_used返回false表示vq->last_used_idx== vring.used->idx，这说明当前没有uesd desc需要更新处理，所以中断直接返回。否则就调用对应queue的callback函数。而callback函数在之前virtnet_find_vqs的调用中被设置。rxq和txq的callback分别注册为了skb_recv_done和skb_xmit_done。

callbacks[rxq2vq(i)] = skb_recv_done;

callbacks[txq2vq(i)] = skb_xmit_done;

    所以接收队列和发送队列的中断处理主要就是分别调用skb_recv_done和skb_xmit_done函数。

后端vhost_user的kick方式

下面我们再看下后端vhost_user是如果kick前端的。首先是split ring的情况。

l  vhost_vring_call_split (dpdk 1811)

static __rte_always_inline void
vhost_vring_call_split(struct virtio_net *dev, struct vhost_virtqueue *vq)
{
    /* Flush used->idx update before we read avail->flags. */
    rte_smp_mb();

    /* Don't kick guest if we don't reach index specified by guest. */
    if (dev->features & (1ULL << VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX)) {
        uint16_t old = vq->signalled_used;
        uint16_t new = vq->last_used_idx;

        if (vhost_need_event(vhost_used_event(vq), new, old)
            && (vq->callfd >= 0)) {
            vq->signalled_used = vq->last_used_idx;
            eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t) 1);
        }
    } else {
        /* Kick the guest if necessary. */
        if (!(vq->avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
                && (vq->callfd >= 0))
            eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t)1);
    }
}

split的方式比较简单，当开启event_idx的时候，就根据old，new以及前端消耗到的位置avail->ring[(vr)->size]来判断是否kick；如果没有开启event_idx时则只要前端没有设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT就kick前端，注意不开启event_idx时，后端也不是无脑kick的，只有前端没设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT时才会kick，至于前端什么时候设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT，一会再分析。

下面我们看packed ring的kick前端处理方式。在介绍packed处理之前我们先看其相关结构。

struct vhost_virtqueue {
    union {
        struct vring_desc    *desc;
        struct vring_packed_desc *desc_packed;
    };
    union {
        struct vring_avail    *avail;
        struct vring_packed_desc_event *driver_event;
    };
    union {
        struct vring_used    *used;
        struct vring_packed_desc_event *device_event;
    };
……
};

在packed 方式中，由于uesd ring和avail ring不再需要，取而代之的是两个desc_event结构。在split方式中我们知道前后端控制是否相互通知是通过avail->flag和uesd->flag的设置来完成的，但packed中分别是通过driver_event和device_event来完成的。

其中driver_event是后端只读的，是前端控制后端更新uesd desc时是否发送通知的，对应于split 方式的avail->flag；

device_event是前端只读的，是后端控制前端更新avail desc时是否发送通知的，对应于split方式的uesd->flag。

driver_event和device_event都是vring_packed_desc_event结构，其具体结构如下。

struct vring_packed_desc_event {
    uint16_t off_wrap;
    uint16_t flags;
};

其中flag可以取三个值分别为：

#define VRING_EVENT_F_ENABLE 0x0

#define VRING_EVENT_F_DISABLE 0x1

#define VRING_EVENT_F_DESC 0x2

driver_event取值VRING_EVENT_F_DISABLE相当于split方式avail->flag设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT，device_event取值VRING_EVENT_F_DISABLE相当于uesd->flag设置VRING_USED_F_NO_NOTIFY。

剩下关键的就是最后这个VRING_EVENT_F_DESC flag了，官方spec是这么解释这个flag的： Enable events for a specific descriptor，(as specified by Descriptor Ring Change Event Offset/Wrap Counter),Only valid if VIRTIO_F_RING_EVENT_IDX has been negotiated. 可以看出这个flag的作用是指定某一个desc发生变化后触发通知，而这个flag生效的前提就是开启了event_idx。这个解释似乎还是不太直观，其实我们可以对比split 的event_idx处理方式来理解。我们知道split方式中，如果开启了event_idx，则前端需要通过avail->ring的最后一个desc告诉后端前端的uesd desc处理到哪里了，后端根据这个值来决定是否需要kick前端；而后端则使用uesd->ring的最后一个desc告诉前端后端的avail desc处理到哪里了，前端根据这个来决定是否来通知后端。但是在packed方式中没有了avail ring和uesd ring，那如果开启了event_idx前端后端如何才能告知对方自己处理到什么位置了呢？答案就是通过这里的off_wrap成员，可以看到这个成员是一个uint16_t，其中后15位指定了前后端处理到什么位置了，而最高位是为了解决翻转的Wrap Counter，而整个off_wrap字段有意义的前提就是flag被设置为了VRING_EVENT_F_DESC。

下面我们对比packed和split方式后端是否开启通知，来了解下vring_packed_desc_event这三个flag的作用。首先看split的开关中断处理，即vhost_enable_notify_split ：

l  vhost_enable_notify_split(dpdk 1811)

static inline void
vhost_enable_notify_split(struct virtio_net *dev,
        struct vhost_virtqueue *vq, int enable)
{
    /* 没有开启EVENT_IDX以vq->used->flags为准 */
    if (!(dev->features & (1ULL << VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX))) {
        if (enable)
            vq->used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
        else
            vq->used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
    } else {/* 开启EVENT_IDX后不再使用used->flags */
        if (enable)
            vhost_avail_event(vq) = vq->last_avail_idx;
    }
}

   可以看到在没有开启EVENT_IDX时，控制guest是否通知后端是用过控制vq->used->flags设置VRING_USED_F_NO_NOTIFY来实现的，但是如果开启了EVENT_IDX就不再使用used->flags，而是使用EVENT_IDX特有中断限速方式。

   下面再看packed的guest通知开启关闭方式实现vhost_enable_notify_packed。

l  vhost_enable_notify_packed(dpdk 1811)

static inline void
vhost_enable_notify_packed(struct virtio_net *dev,
        struct vhost_virtqueue *vq, int enable)
{
    uint16_t flags;

    if (!enable) {
        vq->device_event->flags = VRING_EVENT_F_DISABLE;
        return;
    }

    flags = VRING_EVENT_F_ENABLE;
    if (dev->features & (1ULL << VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX)) {
        flags = VRING_EVENT_F_DESC;
        vq->device_event->off_wrap = vq->last_avail_idx |
            vq->avail_wrap_counter << 15;
    }

    rte_smp_wmb();

    vq->device_event->flags = flags;
}

    当不开启event_idx时，packed 方式使用device_event->flags是否设置VRING_EVENT_F_DISABLE代替split 方式设置的VRING_USED_F_NO_NOTIFY。如果开启了event_idx则device_event->flags一定会被设置为VRING_EVENT_F_DESC的，另外注意device_event->off_wrap的初始设置，低15位被设置为vq->last_avail_idx，高位被设置为vq->avail_wrap_counter。

    最后我们看一下packed方式下后端是如何决定是否通知前端的，即vhost_vring_call_packed函数的实现。

l  vhost_vring_call_packed(dpdk 1811)

static __rte_always_inline void
vhost_vring_call_packed(struct virtio_net *dev, struct vhost_virtqueue *vq)
{
    uint16_t old, new, off, off_wrap;
    bool signalled_used_valid, kick = false;

    /* Flush used desc update. */
    rte_smp_mb();
    /* 如果没有开启EVENT_IDX, 则以dev->driver_event->flags是否设置VRING_EVENT_F_DISABLE为准确定是否通知前端 */
    if (!(dev->features & (1ULL << VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX))) {
        if (vq->driver_event->flags !=
                VRING_EVENT_F_DISABLE)
            kick = true;
        goto kick;
    }
    /* old 表示上一次通知前端时的used idx，new表示当前的uesd idx */
    old = vq->signalled_used;
    new = vq->last_used_idx;
    vq->signalled_used = new; //注意和split的区别，split是kick前端后才进行signalled_used赋值，而这里是直接赋值
    signalled_used_valid = vq->signalled_used_valid;
    vq->signalled_used_valid = true;
    /* 如果开启了event_idx但是driver_event->flags没有设置VRING_EVENT_F_DESC（正常情况是不存在的）则按照不开启event_idx时处理，及根据VRING_EVENT_F_DISABLE决定是否kick */
    if (vq->driver_event->flags != VRING_EVENT_F_DESC) {
        if (vq->driver_event->flags != VRING_EVENT_F_DISABLE)
            kick = true;
        goto kick;
    }

    if (unlikely(!signalled_used_valid)) {
        kick = true;
        goto kick;
    }

    rte_smp_rmb();

    off_wrap = vq->driver_event->off_wrap;
    off = off_wrap & ~(1 << 15); /* 从低15位获取desc的idx */

    if (new <= old)
        old -= vq->size;
    /* 根据最高位的warp counter决定是否翻转 */
    if (vq->used_wrap_counter != off_wrap >> 15)
        off -= vq->size;
    /* off表示前端当前处理的位置，根据off，new，old决定是否kick前端 */
    if (vhost_need_event(off, new, old))
        kick = true;
kick:
    if (kick)
        eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t)1);
}

   在不开启event_idx的时候，和开启event_idx但是driver_event->flags != VRING_EVENT_F_DESC时（正常情况不存在）都是按照前端是否设置VRING_EVENT_F_DISABLE来决定的。

下面一点和split略有不同，就是vq->signalled_used赋值的位置，split是kick前端后条件满足时才进行signalled_used赋值，而这里是直接赋值，并且引入了一个signalled_used_valid变量。首先明确一下，这个变化和packed本身无关，其实split在后续patch也采用了类似处理（详见：http://mails.dpdk.org/archives/dev/2019-March/126684.html ）。其中vq->signalled_used_valid的引入是为了在热迁移后以及前端驱动reload后，将vq->signalled_used的值标记为无效，正常情况vq->signalled_used记录的是上次通知前端时后端处理到的uesd idx，但是当热迁移发生或者前端驱动reload后这个值将不再有意义。signalled_used_valid是用在第一次更新used ring、virtio-net driver reload和live migration之后，所以在ring初始化的时候、guest发送VHOST_USER_GET_VRING_BASE的时候才赋值为false。

另外将vq->signalled_used赋值位置前移，而不是只有满足kick条件才赋值，这个改动是为了一个优化。之前产生interrupt的条件是: last_used_idx – event_idx <= last_used_idx – signalled_used （event_idx为前端更新到的uesd idx）。以前的实现是产生interrupt的时候才会更新signalled_used，而现在是每次更新uesd_ring之后，不管是否有interrupt都更新它，现在的做法和kernel vhost_net的实现是一样的。这样做的好处是可以减少不必要的kick事件，以vm接收方向为例，如果guest kernel有NAPI，那么在guest以poll的方式收包的时候会停止更新event_idx。假设NAPI在Δt时间内都会poll（也就是不更新event_idx），那么对原来的实现而言，last_used_idx就是一直增长，而event_idx和signalled_used都是不变的；在这种情况下，产生Interrupt只有两种情况，一是guest NAPI停止poll、更新event_idx，另一种是last_used_idx超过2^16，比如（last_used_idx=13, signaled_used=65535, event_idx=10 ）。而对现在的实现而言，last_used_idx也一直增长，event_idx也是固定不变的，不过（last_used_idx – signalled_used）是一个相对固定的值（其值等于这一次更新的used ring的descriptor数，我们称它为Δf）；因此在这种情况下guest NAPI结束后，更新event_idx，但（last_used_idx – event_idx）的值未必小于等于Δf，所以不一定需要产生interrupt。所以，在guest如果没有NAPI，现在的实现与以前的相比可以减小（last_used_idx – signaled_used）的值，这样可以减小（last_used_idx – event_idx）小于等于这个值的的概率，从而减小产生interrupt的概率。

最后一点就是packed方式是如何获取前端当前的消耗位置的，也就是event_idx的，是通过off_wrap的低15位以及高位的warp counter来完成的。

有了以上背景知识，我们就开始分别分析前后端通知的四种情况。

发送队列通前端知后端

我们看发送队列（txq）通知后端的情况。首先明确对于发送队列，前端通知（kick）后端的作用是什么？发送队列kick后端就是为了告诉后端前端已经将数据放入了共享ring（具体就是avail desc）中，后端可以来取数据了。

所以我们看前端virtio_net驱动的代码实现，在发送函数start_xmit的结尾有如下调用：

                   if (kick || netif_xmit_stopped(txq))

                                      virtqueue_kick(sq->vq);

我们来看virtqueue_kick的实现。

l  virtqueue_kick (kernel4.9 )

bool virtqueue_kick(struct virtqueue *vq)
{
    if (virtqueue_kick_prepare(vq))
        return virtqueue_notify(vq);
    return true;
}

可以看到真正发送kick通知的函数是virtqueue_notify，其调用的条件是virtqueue_kick_prepare，只有其返回true的时候才会kick后端。我们看下virtqueue_kick_prepare的实现。

l  virtqueue_kick_prepare (kernel4.9 )

bool virtqueue_kick_prepare(struct virtqueue *_vq)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
    u16 new, old;
    bool needs_kick;

    START_USE(vq);
    /* We need to expose available array entries before checking avail
     * event. */
    virtio_mb(vq->weak_barriers);

    old = vq->avail_idx_shadow - vq->num_added; /*上次通知时的avail_idx*/
    new = vq->avail_idx_shadow; /* 本次发送报文后的avail_idx */
    vq->num_added = 0;

    if (vq->event) { /* 如果支持event_idx */
        needs_kick = vring_need_event(virtio16_to_cpu(_vq->vdev, vring_avail_event(&vq->vring)),
                          new, old);
    } else {
        needs_kick = !(vq->vring.used->flags & cpu_to_virtio16(_vq->vdev, VRING_USED_F_NO_NOTIFY));
    }
    END_USE(vq);
    return needs_kick;
}

    可以看到如果支持event_idx就更加old和new以及used->ring[(vr)->num]的范围来通知后端，详细过程可以参考之前写的event_idx相关文章。如果不支持event_idx就看used->flags是否设置了VRING_USED_F_NO_NOTIFY，如果没有设置就通知后端，否则就不通知。这里我们也可以看到，当开启event_idx后，VRING_USED_F_NO_NOTIFY也就失去了作用。此外VRING_USED_F_NO_NOTIFY这个flag是后端设置的，对前端是只读的，用来告诉前端是否需要通知后端。

    然后我们看后端处理，这里我们因为使用的是dpdk，而dpdk一般采用的polling模式，设置VRING_USED_F_NO_NOTIFY，所以前端是不会kick后端的，但是如果开启了event_idx呢？我们知道开启event_idx时，前端kick后端需要后端通过used->ring[(vr)->num]告诉前端当前avail desc消耗到什么位置了，但是当前dpdk vhost_user并没有这个处理，因此当前如果打开event_idx，后端dpdk依然是无法收到中断的。

发送队列后端通知前端

    我们再看发送队列后端通知前端的过程。发送队列为什么要通知前端呢？因为后端将前端放入avail ring中的数据取出后需要告诉前端对应的数据已经被取走了，你可以把相关数据buffer释放了。而究竟释放那些buffer是取决于uesd ring的，所以通知前端本质上是为了告诉前端uesd ring有更新了。

    但是有一点要注意，我们知道uesd ring是前后端共享的，所以如果后端更新了uesd ring，即使不通知前端，前端应该也是可以感知到的。所以前端释放buffer不一定要依赖后端kick。事实上也的确如此。

     我们还看发送start_xmit，

l  start_xmit (kernel4.9 )

static netdev_tx_t start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    struct virtnet_info *vi = netdev_priv(dev);
    int qnum = skb_get_queue_mapping(skb);
    struct send_queue *sq = &vi->sq[qnum];
    int err;
    struct netdev_queue *txq = netdev_get_tx_queue(dev, qnum);
    bool kick = !skb->xmit_more;

    /* Free up any pending old buffers before queueing new ones. */
    free_old_xmit_skbs(sq);
…….
}

    其中开头部分就首先调用free_old_xmit_skbs根据uesd ring将之前的buffer释放掉。具体流程如下图所示。

    其中detach_buf负责更加uesd ring来将对应的desc释放掉，并将对应地址dma unmmap。另外要注意的是virtqueue_get_buf函数的最后有如下调用：

l  virtqueue_get_buf (kernel4.9 )

void *virtqueue_get_buf(struct virtqueue *_vq, unsigned int *len)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
    void *ret;
    unsigned int i;
    u16 last_used;

    last_used = (vq->last_used_idx & (vq->vring.num - 1));
    i = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].id);
    *len = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].len);
    ……
    /* detach_buf clears data, so grab it now. */
    ret = vq->desc_state[i].data;
    detach_buf(vq, i);
    vq->last_used_idx++;
    /* If we expect an interrupt for the next entry, tell host
     * by writing event index and flush out the write before
     * the read in the next get_buf call. */
    if (!(vq->avail_flags_shadow & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT))
        virtio_store_mb(vq->weak_barriers,
                &vring_used_event(&vq->vring),
                cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->last_used_idx));

    END_USE(vq);
    return ret;
}

当前端没有设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT时，会更新avail->ring[(vr)->num]，这也是后端开启event_idx时kick前端的条件。VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT是前端设置，后端只读的。为什么要更新avail->ring[(vr)->num]呢？avail->ring[(vr)->num]中记录的前端已经处理到那个uesd idx了，因为可以及时告诉后端前端处理到什么位置了，后端来根据情况决定是否需要kick前端。

那现在问题又回来了，对于txq既然前端不需要后端kick也能释放buffer，那后端kick有什么用呢？我们再回头看一下start_xmit发送函数，有一下逻辑。

l  start_xmit  (kernel4.9 )

static netdev_tx_t start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    struct virtnet_info *vi = netdev_priv(dev);
    int qnum = skb_get_queue_mapping(skb);
    struct send_queue *sq = &vi->sq[qnum];
    int err;
    struct netdev_queue *txq = netdev_get_tx_queue(dev, qnum);
    bool kick = !skb->xmit_more;
……
    /* If running out of space, stop queue to avoid getting packets that we
     * are then unable to transmit.
     * An alternative would be to force queuing layer to requeue the skb by
     * returning NETDEV_TX_BUSY. However, NETDEV_TX_BUSY should not be
     * returned in a normal path of operation: it means that driver is not
     * maintaining the TX queue stop/start state properly, and causes
     * the stack to do a non-trivial amount of useless work.
     * Since most packets only take 1 or 2 ring slots, stopping the queue
     * early means 16 slots are typically wasted.
     */
    if (sq->vq->num_free < 2+MAX_SKB_FRAGS) {
        netif_stop_subqueue(dev, qnum);
        if (unlikely(!virtqueue_enable_cb_delayed(sq->vq))) {
            /* More just got used, free them then recheck. */
            free_old_xmit_skbs(sq);
            if (sq->vq->num_free >= 2+MAX_SKB_FRAGS) {
                netif_start_subqueue(dev, qnum);
                virtqueue_disable_cb(sq->vq);
            }
        }
    }
……
}

当前端发送速率过快，从而vq->num_free较少时会调用netif_stop_subqueue（将队列状态设置为__QUEUE_STATE_DRV_XOFF），这样队列的start_xmit函数下次在__dev_queue_xmit中就不会被调用。要想打破这样一个状态，就需要后端的kick了。这里还有一个十分关键的函数，就这在stop_queue之后调用的virtqueue_enable_cb_delayed函数。这个函数中有着至关重要的一个操作，如下：

l  virtqueue_enable_cb_delayed

bool virtqueue_enable_cb_delayed(struct virtqueue *_vq)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
    u16 bufs;

    START_USE(vq);

    /* We optimistically turn back on interrupts, then check if there was
     * more to do. */
    /* Depending on the VIRTIO_RING_F_USED_EVENT_IDX feature, we need to
     * either clear the flags bit or point the event index at the next
     * entry. Always update the event index to keep code simple. */
    /* 取消设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT，使后端可以发送中断上来 */
    if (vq->avail_flags_shadow & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
        vq->avail_flags_shadow &= ~VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT;
        if (!vq->event)
            vq->vring.avail->flags = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->avail_flags_shadow);
    }
    /* TODO: tune this threshold */
    bufs = (u16)(vq->avail_idx_shadow - vq->last_used_idx) * 3 / 4;
    /* 更新avail->ring[(vr)->num]以供event_idx使用 */
    virtio_store_mb(vq->weak_barriers,
            &vring_used_event(&vq->vring),
            cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->last_used_idx + bufs));
    if (unlikely((u16)(virtio16_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->idx) - vq->last_used_idx) > bufs)) {
        END_USE(vq);
        return false;
    }

    END_USE(vq);
    return true;
}

首先这个函数做了一个关键操作，就是取消设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT，使后端可以发送中断上来。那么VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT这个flag是什么时候被置上的呢？这个我们后面回答。另外一点就是会更新更新avail->ring[(vr)->num]告诉前端uesd desc当前消耗到哪里了，但注意这里不是更新为vq->last_used_idx，而是还加了一个bufs，为的就是让后端延时一会再kick前端。

下面我们看一下dpdk后端kick前端的时机，我们以split方式为例说明。

l  virtio_dev_tx_split(dpdk18.11)

static __rte_always_inline uint16_t
virtio_dev_tx_split(struct virtio_net *dev, struct vhost_virtqueue *vq,
    struct rte_mempool *mbuf_pool, struct rte_mbuf **pkts, uint16_t count)
{
    uint16_t i;
    uint16_t free_entries;

    if (unlikely(dev->dequeue_zero_copy)) {
        struct zcopy_mbuf *zmbuf, *next;

        for (zmbuf = TAILQ_FIRST(&vq->zmbuf_list);
             zmbuf != NULL; zmbuf = next) {
            next = TAILQ_NEXT(zmbuf, next);

            if (mbuf_is_consumed(zmbuf->mbuf)) {
                update_shadow_used_ring_split(vq,
                        zmbuf->desc_idx, 0);
                TAILQ_REMOVE(&vq->zmbuf_list, zmbuf, next);
                restore_mbuf(zmbuf->mbuf);
                rte_pktmbuf_free(zmbuf->mbuf);
                put_zmbuf(zmbuf);
                vq->nr_zmbuf -= 1;
            }
        }

        if (likely(vq->shadow_used_idx)) {
            /*如果是零拷贝方式，则每次接收前检查之前已经dma完成的报文，更新uesd ring，kick前端*/
            flush_shadow_used_ring_split(dev, vq);
            vhost_vring_call_split(dev, vq);
        }
    }
    ......
    for (i = 0; i < count; i++) {
        ......
        err = copy_desc_to_mbuf(dev, vq, buf_vec, nr_vec, pkts[i],
                mbuf_pool);
        ......
    }
    vq->last_avail_idx += i;

    if (likely(dev->dequeue_zero_copy == 0)) {
        do_data_copy_dequeue(vq);
        if (unlikely(i < count))
            vq->shadow_used_idx = i;
        if (likely(vq->shadow_used_idx)) {
            /* 更新used ring，kick前端 */
            flush_shadow_used_ring_split(dev, vq);
            vhost_vring_call_split(dev, vq);
        }
    }

    return i;
}

如果是零拷贝，则在后端接受逻辑的开始，判断上一次接受的报文是否dma完成，如果完成则更新uesd ring，调用vhost_vring_call_split kick前端。如果不是零拷贝模式，则在将报文从desc拷贝出来后，更新uesd ring，调用vhost_vring_call_split kick前端。关于vhost_vring_call_split的实现在前面已经介绍过了，这里不再重复。

下面看前端收到后端的中断是如何处理的。前面已经介绍过了，对于发送队列，其注册的中断回调函数中会调用skb_xmit_done。

l  skb_xmit_done(kernel 4.9)

static void skb_xmit_done(struct virtqueue *vq)
{
    struct virtnet_info *vi = vq->vdev->priv;

    /* Suppress further interrupts. */
    virtqueue_disable_cb(vq);

    /* We were probably waiting for more output buffers. */
    netif_wake_subqueue(vi->dev, vq2txq(vq));
}

其中virtqueue_disable_cb会将vring.avail->flags设置上VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT，这样后端就不会发生kick到前端了（不开启event_idx的情况），然后调用netif_wake_subqueue唤醒被stop的queue（清除__QUEUE_STATE_DRV_XOFF 的state）。

l  virtqueue_disable_cb(kernel)

void virtqueue_disable_cb(struct virtqueue *_vq)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);

    if (!(vq->avail_flags_shadow & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)) {
        vq->avail_flags_shadow |= VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT;
        if (!vq->event)
            vq->vring.avail->flags = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->avail_flags_shadow);
    }
}

这里又有个疑问，唤醒stop 状态的queue容易理解，可以设置上了VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT后，什么时候取消呢？其实前面我们已经介绍过了，就是下次stop queue时调用virtqueue_enable_cb_delayed的处理中。所以我们可以看到，即使不开启event_idx，也不是每次uesd 变化都会kick前端的，而是只有queue stop后才会kick，正常状态前端是会设置VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT不让后端kick的。

接收队列后端通知前端

对于接收队列，后端会在将mbuf数据拷贝到avail desc中后，更新uesd ring，然后kick前端。kick前端的目的就是告诉前端，我有数据发送给你了（更新了uesd ring），你可以来取数据了。我们以split方式的接收方向为例。其接受逻辑在virtio_dev_rx_split中实现。

l  virtio_dev_rx_split(dpdk 18.11)

static __rte_always_inline uint32_t
virtio_dev_rx_split(struct virtio_net *dev, struct vhost_virtqueue *vq,
    struct rte_mbuf **pkts, uint32_t count)
{
    uint32_t pkt_idx = 0;
    uint16_t num_buffers;
    struct buf_vector buf_vec[BUF_VECTOR_MAX];
    uint16_t avail_head;

    rte_prefetch0(&vq->avail->ring[vq->last_avail_idx & (vq->size - 1)]);
    avail_head = *((volatile uint16_t *)&vq->avail->idx);

    for (pkt_idx = 0; pkt_idx < count; pkt_idx++) {
        uint32_t pkt_len = pkts[pkt_idx]->pkt_len + dev->vhost_hlen;
        uint16_t nr_vec = 0;
        /* 为拷贝当前mbuf后续预留avail desc */
        if (unlikely(reserve_avail_buf_split(dev, vq,
                        pkt_len, buf_vec, &num_buffers,
                        avail_head, &nr_vec) < 0)) {
            VHOST_LOG_DEBUG(VHOST_DATA,
                "(%d) failed to get enough desc from vring\n",
                dev->vid);
            vq->shadow_used_idx -= num_buffers;
            break;
        }

        rte_prefetch0((void *)(uintptr_t)buf_vec[0].buf_addr);

        VHOST_LOG_DEBUG(VHOST_DATA, "(%d) current index %d | end index %d\n",
            dev->vid, vq->last_avail_idx,
            vq->last_avail_idx + num_buffers);
        /* 拷贝mbuf到avail desc */
        if (copy_mbuf_to_desc(dev, vq, pkts[pkt_idx],
                        buf_vec, nr_vec,
                        num_buffers) < 0) {
            vq->shadow_used_idx -= num_buffers;
            break;
        }
        /* 更新last_avail_idx */
        vq->last_avail_idx += num_buffers;
    }
    /* 小包的批处理拷贝 */
    do_data_copy_enqueue(dev, vq);

    if (likely(vq->shadow_used_idx)) {
        flush_shadow_used_ring_split(dev, vq); /* 更新used ring */
        vhost_vring_call_split(dev, vq); /* 通知前端 */
    }

    return pkt_idx;
}

其中kick前端的处理在最后的vhost_vring_call_split函数中，这个我们在“后端vhost_user的kick方式”中已经介绍过，这里就不再重复了。

然后我们看前端的通知处理。根据前面的介绍，接受队列前端注册的中断处理函数最终会调用到skb_recv_done。

l  skb_recv_done(kernel 4.9)

static void skb_recv_done(struct virtqueue *rvq)
{
    struct virtnet_info *vi = rvq->vdev->priv;
    struct receive_queue *rq = &vi->rq[vq2rxq(rvq)];

    /* Schedule NAPI, Suppress further interrupts if successful. */
    if (napi_schedule_prep(&rq->napi)) {
        virtqueue_disable_cb(rvq);
        __napi_schedule(&rq->napi);
    }
}

我们看到这个函数主要工作就是调用virtqueue_disable_cb给vring.avail->flags设置上VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT从而禁止后端发送中断（不开启event_idx的情况），然后唤起NAPI处理。所以在NAPI的情况后端通知是被关闭的。那么这个flag什么时候会被打开呢？答案就是在virtio_net的NAPI处理逻辑中，即virtnet_poll函数。

l  virtnet_poll(kernel 4.9)

static int virtnet_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    struct receive_queue *rq =
        container_of(napi, struct receive_queue, napi);
    unsigned int r, received;

    received = virtnet_receive(rq, budget);

    /* Out of packets? */
    if (received < budget) {
        r = virtqueue_enable_cb_prepare(rq->vq);
        napi_complete_done(napi, received);
        if (unlikely(virtqueue_poll(rq->vq, r)) &&
            napi_schedule_prep(napi)) {
            virtqueue_disable_cb(rq->vq);
            __napi_schedule(napi);
        }
    }

    return received;
}

在NAPI处理流程中如果received < budget，证明本轮数据接收已经比较少了，NAPI过程可能要退出了，这时调用virtqueue_enable_cb_prepare将之前的VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT取消，从NAPI模式进入中断模式。

l  virtqueue_enable_cb_prepare(kernel 4.9)

unsigned virtqueue_enable_cb_prepare(struct virtqueue *_vq)
{
    struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
    u16 last_used_idx;

    START_USE(vq);

    /* We optimistically turn back on interrupts, then check if there was
     * more to do. */
    /* Depending on the VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX feature, we need to
     * either clear the flags bit or point the event index at the next
     * entry. Always do both to keep code simple. */
    if (vq->avail_flags_shadow & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
        vq->avail_flags_shadow &= ~VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT;
        if (!vq->event)
            vq->vring.avail->flags = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->avail_flags_shadow);
    }
    vring_used_event(&vq->vring) = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, last_used_idx = vq->last_used_idx);
    END_USE(vq);
    return last_used_idx;
}

    注意这个函数除了取消VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT设置之外，还会更新avail->ring[(vr)->num]，以供开启event_idx时后端使用。

接收队列前端通知后端

    下面看接收方向前端通知的过程。首先要清除接收方向前端通知后端的目的，那就是告诉后端avail ring已经更新了（有了更多空buffer），你可以继续放入更多数据了。从这里我们也可以看出，前端通知后端，无论发送还是接收方向，都是告诉后端有了更多的avail desc，而后端通知前端，都是告诉前端有了更多的uesd 的desc。然后我们看前端通知后端的时机，要想知道前端再何时通知后端，我们需要对前端的数据接收流程有个清晰的认识。下面这个图描述了前端vhost_net接收数据的过程。

而通知后端的时机就在try_fill_recv函数调用中。

l  try_fill_recv(kernel 4.9)

static bool try_fill_recv(struct virtnet_info *vi, struct receive_queue *rq,
              gfp_t gfp)
{
    int err;
    bool oom;

    gfp |= __GFP_COLD;
    /* 针对三种情况分别给desc注入对应的buffer，并更新avail idx */
    do {
        if (vi->mergeable_rx_bufs)
            err = add_recvbuf_mergeable(rq, gfp);
        else if (vi->big_packets)
            err = add_recvbuf_big(vi, rq, gfp);
        else
            err = add_recvbuf_small(vi, rq, gfp);

        oom = err == -ENOMEM;
        if (err)
            break;
    } while (rq->vq->num_free);
    virtqueue_kick(rq->vq); /* kick 后端 */
    return !oom;
}

这个函数首先会根据是否支持mergeable已经是否支持收大包来向avail desc注入对应的空buffer。每种情况下注入buffer产生的desc chain长度是不同的。这里不是重点，我们就不展开了。下面看关键的virtqueue_kick函数。

l  virtqueue_kick(kernel 4.9)

bool virtqueue_kick(struct virtqueue *vq)
{
    if (virtqueue_kick_prepare(vq))
        return virtqueue_notify(vq);
    return true;
}

其中真正向后端发送通知的是virtqueue_notify，但是首先要通过virtqueue_kick_prepare的判断。virtqueue_kick_prepare这个函数我们之前已经介绍过了，如果不开启event_idx时，会根据vring.used->flags是否设置VRING_USED_F_NO_NOTIFY来决定是否kick后端，而开启event_idx时，则会根据后端填入(vr)->used->ring[(vr)->num]中的后端消耗位置来决定是否kick。

同样如果后端使用的是dpdk vhost_user，那么当前后端是不会写(vr)->used->ring[(vr)->num]告诉前端自己的avail使用位置的，如果开启了event_idx后端还是无法收到中断的。那如果dpdk使用中断模式，这里收不到中断是否会有问题呢？我们换位思考一下，对比一下“发送队列后端通知前端”的场景，在“发送队列后端通知前端”中，如果后端不通知前端，那么前端一旦感觉到没有可用的avail desc后就会stop queue，之后就无法被唤醒了。而这里的场景，vhost_user后端没有类似stop queue的操作，所以即使收不到前端的中断也没有问题。但是在“发送队列前端通知后端”的场景中，如果dpdk采用中断模式切开启了event_idx，那么vhost_user就会因为收不到中断而无法取出前端发送的报文。所以对应想使用中断模式，且开启event_idx的场景，vhost_user需要添加对(vr)->used->ring[(vr)->num]的处理。