KVM基本原理及架构七-KVM内核模块中重要的数据结构

KVM内核模块中重要数据结构

7.1 kvm

Kvm结构体代表一个具体的虚拟机，当通过KVM_CREATE_VM指令字创建一个虚拟机后，就会创建一个新的kvm结构体对象。Kvm结构体中包括了VCPU、内存、APIC、IRQ、MMU、Event事件等相关信息，该结构体主要在KVM虚拟机内部使用，用于跟踪虚拟机状态。

重要的结构体成员说明如下:

struct kvm {
         …
struct kvm_memslots *memslots; //KVM虚拟机分配的内存slot，用于GPAàHVA的转换，内存虚拟化使用
         …
         struct kvm_vcpu *vcpus[KVM_MAX_VCPUS]; //KVM虚拟机中包含的VCPU结构体数组，一个VCPU对应一个数组成员。
         …
         struct kvm_io_bus *buses[KVM_NR_BUSES]; //KVM虚拟机中包括的IO总线结构体数组，一条总线对应一个kvm_io_bus结构体，如ISA总线、PCI总线。
         …
         struct kvm_vm_stat stat; //KVM虚拟机中的运行时状态信息，比如页表、MMU等状态。
         struct kvm_arch arch; //KVM中跟arch相关的参数。
         …
}

7.2 kvm_run
kvm_run结构体记录了KVM的内部运行状态，如VM-Exit发生的原因等。重要字段说明如下：

7.2 kvm_run

kvm_run结构体记录了KVM的内部运行状态，如VM-Exit发生的原因等。重要字段说明如下：

struct kvm_run {
    __u8 request_interrupt_window; //向VCPU注入一个中断，让VCPU做好相关准备工作
    …
    __u8 ready_for_interrupt_injection; //响应request_interrupt_window的中断请求，当设置时，说明VCPU可以接收中断。
    __u8 if_flag; //中断使能标识，如果使用了APIC，则无效
    struct {
            __u64 hardware_exit_reason; //当发生VM-Exit时，该字段保存了由于硬件原因导致VM-Exit的相关信息。
        } hw;
    struct {
#define KVM_EXIT_IO_IN  0
#define KVM_EXIT_IO_OUT 1
            __u8 direction;
            __u8 size; /* bytes */
            __u16 port;
            __u32 count;
            __u64 data_offset; /* relative to kvm_run start */
        } io; //当由于IO操作导致发生VM-Exit时，该结构体保存IO相关信息。
        …
};

7.3 kvm_vcpu

在通过KVM_CREATE_VCPU指令字为VM创建VCPU后，KVM模块将创建kvm_vcpu结构体，其中包含了VCPU相关的信息，重要字段说明如下：

struct kvm_run {
    __u8 request_interrupt_window; //向VCPU注入一个中断，让VCPU做好相关准备工作
    …
    __u8 ready_for_interrupt_injection; //响应request_interrupt_window的中断请求，当设置时，说明VCPU可以接收中断。
    __u8 if_flag; //中断使能标识，如果使用了APIC，则无效
    struct {
            __u64 hardware_exit_reason; //当发生VM-Exit时，该字段保存了由于硬件原因导致VM-Exit的相关信息。
        } hw;
    struct {
#define KVM_EXIT_IO_IN  0
#define KVM_EXIT_IO_OUT 1
            __u8 direction;
            __u8 size; /* bytes */
            __u16 port;
            __u32 count;
            __u64 data_offset; /* relative to kvm_run start */
        } io; //当由于IO操作导致发生VM-Exit时，该结构体保存IO相关信息。
        …
};

7.4 kvm_x86_ops

kvm_x86_ops结构体只包含了针对具体CPU架构进行虚拟化时的函数指针，在kvm-intel.ko和kvm-amd.ko模块中，提供了不同的接口和实现。在KVM初始化和正常运行过程中，将使用相关接口进行实际的硬件操作。主要包括如下几种类型的操作：

ü  VMM状态初始化

ü  VCPU管理

ü  中断管理

ü  寄存器管理

ü  时钟管理

Kvm_x86_ops结构体在intel架构中初始化为：

static struct kvm_x86_ops vmx_x86_ops = {
         .cpu_has_kvm_support = cpu_has_kvm_support,
         .disabled_by_bios = vmx_disabled_by_bios,
         .hardware_setup = hardware_setup,
         .hardware_unsetup = hardware_unsetup,
         .check_processor_compatibility = vmx_check_processor_compat,
         .hardware_enable = hardware_enable,
         .hardware_disable = hardware_disable,
         .cpu_has_accelerated_tpr = report_flexpriority,
         .vcpu_create = vmx_create_vcpu,
         .vcpu_free = vmx_free_vcpu,
         .vcpu_reset = vmx_vcpu_reset,
         .prepare_guest_switch = vmx_save_host_state,
         .vcpu_load = vmx_vcpu_load,
         .vcpu_put = vmx_vcpu_put,
         .set_guest_debug = set_guest_debug,
         .get_msr = vmx_get_msr,
         .set_msr = vmx_set_msr,
         .get_segment_base = vmx_get_segment_base,
         .get_segment = vmx_get_segment,
         .set_segment = vmx_set_segment,
         .get_cpl = vmx_get_cpl,
         .get_cs_db_l_bits = vmx_get_cs_db_l_bits,
         .decache_cr0_guest_bits = vmx_decache_cr0_guest_bits,
         .decache_cr4_guest_bits = vmx_decache_cr4_guest_bits,
         .set_cr0 = vmx_set_cr0,
         .set_cr3 = vmx_set_cr3,
         .set_cr4 = vmx_set_cr4,
         .set_efer = vmx_set_efer,
         .get_idt = vmx_get_idt,
         .set_idt = vmx_set_idt,
         .get_gdt = vmx_get_gdt,
         .set_gdt = vmx_set_gdt,
         .cache_reg = vmx_cache_reg,
         .get_rflags = vmx_get_rflags,
         .set_rflags = vmx_set_rflags,
         .fpu_deactivate = vmx_fpu_deactivate,
         .tlb_flush = vmx_flush_tlb,
         .run = vmx_vcpu_run,
         .handle_exit = vmx_handle_exit,
         .skip_emulated_instruction = skip_emulated_instruction,
         .set_interrupt_shadow = vmx_set_interrupt_shadow,
         .get_interrupt_shadow = vmx_get_interrupt_shadow,
         .patch_hypercall = vmx_patch_hypercall,
         .set_irq = vmx_inject_irq,
         .set_nmi = vmx_inject_nmi,
         .queue_exception = vmx_queue_exception,
         .interrupt_allowed = vmx_interrupt_allowed,
         .nmi_allowed = vmx_nmi_allowed,
         .get_nmi_mask = vmx_get_nmi_mask,
         .set_nmi_mask = vmx_set_nmi_mask,
         .enable_nmi_window = enable_nmi_window,
         .enable_irq_window = enable_irq_window,
         .update_cr8_intercept = update_cr8_intercept,
         .set_tss_addr = vmx_set_tss_addr,
         .get_tdp_level = get_ept_level,
         .get_mt_mask = vmx_get_mt_mask,
         .exit_reasons_str = vmx_exit_reasons_str,
         .gb_page_enable = vmx_gb_page_enable,
         .set_tsc_khz = vmx_set_tsc_khz,
         .write_tsc_offset = vmx_write_tsc_offset,
         .adjust_tsc_offset = vmx_adjust_tsc_offset,
         .compute_tsc_offset = vmx_compute_tsc_offset,
};