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# 51 | 计算虚拟化之CPU（下）：如何复用集团的人力资源？

    上一节qemu初始化的main函数，我们解析了一个开头，得到了表示体系结构的MachineClass以及MachineState。

## 4.初始化块设备

我们接着回到main函数，接下来初始化的是块设备，调用的是configure\_blockdev。这里我们需要重点关注上面参数中的硬盘，不过我们放在存储虚拟化那一节再解析。

```
configure_blockdev(&bdo_queue, machine_class, snapshot);

```

## 5.初始化计算虚拟化的加速模式

接下来初始化的是计算虚拟化的加速模式，也即要不要使用KVM。根据参数中的配置是启用KVM。这里调用的是configure\_accelerator。

```
configure_accelerator(current_machine, argv[0]);

void configure_accelerator(MachineState *ms, const char *progname)
{
    const char *accel;
    char **accel_list, **tmp;
    int ret;
    bool accel_initialised = false;
    bool init_failed = false;
    AccelClass *acc = NULL;

    accel = qemu_opt_get(qemu_get_machine_opts(), "accel");
    accel = "kvm";
    accel_list = g_strsplit(accel, ":", 0);

    for (tmp = accel_list; !accel_initialised && tmp && *tmp; tmp++) {
        acc = accel_find(*tmp);
        ret = accel_init_machine(acc, ms);
    }
}

static AccelClass *accel_find(const char *opt_name)
{
    char *class_name = g_strdup_printf(ACCEL_CLASS_NAME("%s"), opt_name);
    AccelClass *ac = ACCEL_CLASS(object_class_by_name(class_name));
    g_free(class_name);
    return ac;
}

static int accel_init_machine(AccelClass *acc, MachineState *ms)
{
    ObjectClass *oc = OBJECT_CLASS(acc);
    const char *cname = object_class_get_name(oc);
    AccelState *accel = ACCEL(object_new(cname));
    int ret;
    ms->accelerator = accel;
    *(acc->allowed) = true;
    ret = acc->init_machine(ms);
    return ret;
}

```

在configure\_accelerator中，我们看命令行参数里面的accel，发现是kvm，则调用accel\_find根据名字，得到相应的纸面上的class，并初始化为Class类。

MachineClass是计算机体系结构的Class类，同理，AccelClass就是加速器的Class类，然后调用accel\_init\_machine，通过object\_new，将AccelClass这个Class类实例化为AccelState，类似对于体系结构的实例是MachineState。

在accel\_find中，我们会根据名字kvm，找到纸面上的class，也即kvm\_accel\_type，然后调用type\_initialize，里面调用kvm\_accel\_type的class\_init方法，也即kvm\_accel\_class\_init。

```
static void kvm_accel_class_init(ObjectClass *oc, void *data)
{
    AccelClass *ac = ACCEL_CLASS(oc);
    ac->name = "KVM";
    ac->init_machine = kvm_init;
    ac->allowed = &kvm_allowed;
}

```

在kvm\_accel\_class\_init中，我们创建AccelClass，将init\_machine设置为kvm\_init。在accel\_init\_machine中其实就调用了这个init\_machine函数，也即调用kvm\_init方法。

```
static int kvm_init(MachineState *ms)
{
    MachineClass *mc = MACHINE_GET_CLASS(ms);
    int soft_vcpus_limit, hard_vcpus_limit;
    KVMState *s;
    const KVMCapabilityInfo *missing_cap;
    int ret;
    int type = 0;
    const char *kvm_type;

    s = KVM_STATE(ms->accelerator);
    s->fd = qemu_open("/dev/kvm", O_RDWR);
    ret = kvm_ioctl(s, KVM_GET_API_VERSION, 0);
......
    do {
        ret = kvm_ioctl(s, KVM_CREATE_VM, type);
    } while (ret == -EINTR);
......
    s->vmfd = ret;

    /* check the vcpu limits */
    soft_vcpus_limit = kvm_recommended_vcpus(s);
    hard_vcpus_limit = kvm_max_vcpus(s);
......
    ret = kvm_arch_init(ms, s);
    if (ret < 0) {
        goto err;
    }

    if (machine_kernel_irqchip_allowed(ms)) {
        kvm_irqchip_create(ms, s);
    }
......
    return 0;
}


```

这里面的操作就从用户态到内核态的KVM了。就像前面原理讲过的一样，用户态使用内核态KVM的能力，需要打开一个文件/dev/kvm，这是一个字符设备文件，打开一个字符设备文件的过程我们讲过，这里不再赘述。

```
static struct miscdevice kvm_dev = {
    KVM_MINOR,
    "kvm",
    &kvm_chardev_ops,
};

static struct file_operations kvm_chardev_ops = {
    .unlocked_ioctl = kvm_dev_ioctl,
    .compat_ioctl   = kvm_dev_ioctl,
    .llseek     = noop_llseek,
};


```

KVM这个字符设备文件定义了一个字符设备文件的操作函数kvm\_chardev\_ops，这里面只定义了ioctl的操作。

接下来，用户态就通过ioctl系统调用，调用到kvm\_dev\_ioctl这个函数。这个过程我们在[字符设备](https://time.geekbang.org/column/article/100068)那一节也讲了。

```
static long kvm_dev_ioctl(struct file *filp,
              unsigned int ioctl, unsigned long arg)
{
    long r = -EINVAL;

    switch (ioctl) {
    case KVM_GET_API_VERSION:
        r = KVM_API_VERSION;
        break;
    case KVM_CREATE_VM:
        r = kvm_dev_ioctl_create_vm(arg);
        break;  
    case KVM_CHECK_EXTENSION:
        r = kvm_vm_ioctl_check_extension_generic(NULL, arg);
        break;  
    case KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE:
        r = PAGE_SIZE;     /* struct kvm_run */
        break;  
......
    }   
out:
    return r;
}


```

我们可以看到，在用户态qemu中，调用KVM\_GET\_API\_VERSION查看版本号，内核就有相应的分支，返回版本号，如果能够匹配上，则调用KVM\_CREATE\_VM创建虚拟机。

创建虚拟机，需要调用kvm\_dev\_ioctl\_create\_vm。

```
static int kvm_dev_ioctl_create_vm(unsigned long type)
{
    int r;
    struct kvm *kvm;
    struct file *file;

    kvm = kvm_create_vm(type);
......
    r = get_unused_fd_flags(O_CLOEXEC);
......
    file = anon_inode_getfile("kvm-vm", &kvm_vm_fops, kvm, O_RDWR);
......
    fd_install(r, file);
    return r;
}

```

在kvm\_dev\_ioctl\_create\_vm中，首先调用kvm\_create\_vm创建一个struct kvm结构。这个结构在内核里面代表一个虚拟机。

从下面结构的定义里，我们可以看到，这里面有vcpu，有mm\_struct结构。这个结构本来用来管理进程的内存的。虚拟机也是一个进程，所以虚拟机的用户进程空间也是用它来表示。虚拟机里面的操作系统以及应用的进程空间不归它管。

在kvm\_dev\_ioctl\_create\_vm中，第二件事情就是创建一个文件描述符，和struct file关联起来，这个struct file的file\_operations会被设置为kvm\_vm\_fops。

```
struct kvm {
	struct mm_struct *mm; /* userspace tied to this vm */
	struct kvm_memslots __rcu *memslots[KVM_ADDRESS_SPACE_NUM];
	struct kvm_vcpu *vcpus[KVM_MAX_VCPUS];
	atomic_t online_vcpus;
	int created_vcpus;
	int last_boosted_vcpu;
	struct list_head vm_list;
	struct mutex lock;
	struct kvm_io_bus __rcu *buses[KVM_NR_BUSES];
......
	struct kvm_vm_stat stat;
	struct kvm_arch arch;
	refcount_t users_count;
......
	long tlbs_dirty;
	struct list_head devices;
	pid_t userspace_pid;
};

static struct file_operations kvm_vm_fops = {
	.release        = kvm_vm_release,
	.unlocked_ioctl = kvm_vm_ioctl,
	.llseek		= noop_llseek,
};

```

kvm\_dev\_ioctl\_create\_vm结束之后，对于一台虚拟机而言，只是在内核中有一个数据结构，对于相应的资源还没有分配，所以我们还需要接着看。

## 6.初始化网络设备

接下来，调用net\_init\_clients进行网络设备的初始化。我们可以解析net参数，也会在net\_init\_clients中解析netdev参数。这属于网络虚拟化的部分，我们先暂时放一下。

```
int net_init_clients(Error **errp)
{
    QTAILQ_INIT(&net_clients);
    if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("netdev"),
                          net_init_netdev, NULL, errp)) {
        return -1;
    }
    if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("nic"), net_param_nic, NULL, errp)) {
        return -1;
   }
    if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("net"), net_init_client, NULL, errp)) {
        return -1;
    }
    return 0;
}  

```

## 7.CPU虚拟化

接下来，我们要调用machine\_run\_board\_init。这里面调用了MachineClass的init函数。盼啊盼才到了它，这才调用了pc\_init1。

```
void machine_run_board_init(MachineState *machine)
{
    MachineClass *machine_class = MACHINE_GET_CLASS(machine);
    numa_complete_configuration(machine);
    if (nb_numa_nodes) {
        machine_numa_finish_cpu_init(machine);
    }
......
    machine_class->init(machine);
}

```

在pc\_init1里面，我们重点关注两件重要的事情，一个的CPU的虚拟化，主要调用pc\_cpus\_init；另外就是内存的虚拟化，主要调用pc\_memory\_init。这一节我们重点关注CPU的虚拟化，下一节，我们来看内存的虚拟化。

```
void pc_cpus_init(PCMachineState *pcms)
{
......
    for (i = 0; i < smp_cpus; i++) {
        pc_new_cpu(possible_cpus->cpus[i].type, possible_cpus->cpus[i].arch_id, &error_fatal);
    }
}

static void pc_new_cpu(const char *typename, int64_t apic_id, Error **errp)
{
    Object *cpu = NULL;
    cpu = object_new(typename);
    object_property_set_uint(cpu, apic_id, "apic-id", &local_err);
    object_property_set_bool(cpu, true, "realized", &local_err);//调用 object_property_add_bool的时候，设置了用 device_set_realized 来设置
......
}

```

在pc\_cpus\_init中，对于每一个CPU，都调用pc\_new\_cpu，在这里，我们又看到了object\_new，这又是一个从TypeImpl到Class类再到对象的一个过程。

这个时候，我们就要看CPU的类是怎么组织的了。

在上面的参数里面，CPU的配置是这样的：

```
-cpu SandyBridge,+erms,+smep,+fsgsbase,+pdpe1gb,+rdrand,+f16c,+osxsave,+dca,+pcid,+pdcm,+xtpr,+tm2,+est,+smx,+vmx,+ds_cpl,+monitor,+dtes64,+pbe,+tm,+ht,+ss,+acpi,+ds,+vme

```

在这里我们知道，SandyBridge是CPU的一种类型。在hw/i386/pc.c中，我们能看到这种CPU的定义。

```
{ "SandyBridge" "-" TYPE_X86_CPU, "min-xlevel", "0x8000000a" }

```

接下来，我们就来看"SandyBridge"，也即TYPE\_X86\_CPU这种CPU的类，是一个什么样的结构。

```
static const TypeInfo device_type_info = {
    .name = TYPE_DEVICE,
    .parent = TYPE_OBJECT,
    .instance_size = sizeof(DeviceState),
    .instance_init = device_initfn,
    .instance_post_init = device_post_init,
    .instance_finalize = device_finalize,
    .class_base_init = device_class_base_init,
    .class_init = device_class_init,
    .abstract = true,
    .class_size = sizeof(DeviceClass),
};

static const TypeInfo cpu_type_info = {
    .name = TYPE_CPU,
    .parent = TYPE_DEVICE,
    .instance_size = sizeof(CPUState),
    .instance_init = cpu_common_initfn,
    .instance_finalize = cpu_common_finalize,
    .abstract = true,
    .class_size = sizeof(CPUClass),
    .class_init = cpu_class_init,
};

static const TypeInfo x86_cpu_type_info = {
    .name = TYPE_X86_CPU,
    .parent = TYPE_CPU,
    .instance_size = sizeof(X86CPU),
    .instance_init = x86_cpu_initfn,
    .abstract = true,
    .class_size = sizeof(X86CPUClass),
    .class_init = x86_cpu_common_class_init,
};

```

CPU这种类的定义是有多层继承关系的。TYPE\_X86\_CPU的父类是TYPE\_CPU，TYPE\_CPU的父类是TYPE\_DEVICE，TYPE\_DEVICE的父类是TYPE\_OBJECT。到头了。

这里面每一层都有class\_init，用于从TypeImpl生产xxxClass，也有instance\_init将xxxClass初始化为实例。

在TYPE\_X86\_CPU这一层的class\_init中，也即x86\_cpu\_common\_class\_init中，设置了DeviceClass的realize函数为x86\_cpu\_realizefn。这个函数很重要，马上就能用到。

```
static void x86_cpu_common_class_init(ObjectClass *oc, void *data)
{
    X86CPUClass *xcc = X86_CPU_CLASS(oc);
    CPUClass *cc = CPU_CLASS(oc);
    DeviceClass *dc = DEVICE_CLASS(oc);

    device_class_set_parent_realize(dc, x86_cpu_realizefn,
                                    &xcc->parent_realize);
......
}

```

在TYPE\_DEVICE这一层的instance\_init函数device\_initfn，会为这个设备添加一个属性"realized"，要设置这个属性，需要用函数device\_set\_realized。

```
static void device_initfn(Object *obj)
{
    DeviceState *dev = DEVICE(obj);
    ObjectClass *class;
    Property *prop;
    dev->realized = false;
    object_property_add_bool(obj, "realized",
                             device_get_realized, device_set_realized, NULL);
......
}

```

我们回到pc\_new\_cpu函数，这里面就是通过object\_property\_set\_bool设置这个属性为true，所以device\_set\_realized函数会被调用。

在device\_set\_realized中，DeviceClass的realize函数x86\_cpu\_realizefn会被调用。这里面qemu\_init\_vcpu会调用qemu\_kvm\_start\_vcpu。

```
static void qemu_kvm_start_vcpu(CPUState *cpu)
{
    char thread_name[VCPU_THREAD_NAME_SIZE];
    cpu->thread = g_malloc0(sizeof(QemuThread));
    cpu->halt_cond = g_malloc0(sizeof(QemuCond));
    qemu_cond_init(cpu->halt_cond);
    qemu_thread_create(cpu->thread, thread_name, qemu_kvm_cpu_thread_fn, cpu, QEMU_THREAD_JOINABLE);
}

```

在这里面，为这个vcpu创建一个线程，也即虚拟机里面的一个vcpu对应物理机上的一个线程，然后这个线程被调度到某个物理CPU上。

我们来看这个vcpu的线程执行函数。

```
static void *qemu_kvm_cpu_thread_fn(void *arg)
{
    CPUState *cpu = arg;
    int r;

    rcu_register_thread();

    qemu_mutex_lock_iothread();
    qemu_thread_get_self(cpu->thread);
    cpu->thread_id = qemu_get_thread_id();
    cpu->can_do_io = 1;
    current_cpu = cpu;

    r = kvm_init_vcpu(cpu);
    kvm_init_cpu_signals(cpu);

    /* signal CPU creation */
    cpu->created = true;
    qemu_cond_signal(&qemu_cpu_cond);

    do {
        if (cpu_can_run(cpu)) {
            r = kvm_cpu_exec(cpu);
        }
        qemu_wait_io_event(cpu);
    } while (!cpu->unplug || cpu_can_run(cpu));

    qemu_kvm_destroy_vcpu(cpu);
    cpu->created = false;
    qemu_cond_signal(&qemu_cpu_cond);
    qemu_mutex_unlock_iothread();
    rcu_unregister_thread();
    return NULL;
}

```

在qemu\_kvm\_cpu\_thread\_fn中，先是kvm\_init\_vcpu初始化这个vcpu。

```
int kvm_init_vcpu(CPUState *cpu)
{
    KVMState *s = kvm_state;
    long mmap_size;
    int ret;
......
    ret = kvm_get_vcpu(s, kvm_arch_vcpu_id(cpu));
......
    cpu->kvm_fd = ret;
    cpu->kvm_state = s;
    cpu->vcpu_dirty = true;

    mmap_size = kvm_ioctl(s, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, 0);
......
    cpu->kvm_run = mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, cpu->kvm_fd, 0);
......
    ret = kvm_arch_init_vcpu(cpu);
err:
    return ret;
}

```

在kvm\_get\_vcpu中，我们会调用kvm\_vm\_ioctl(s, KVM\_CREATE\_VCPU, (void \*)vcpu\_id)，在内核里面创建一个vcpu。在上面创建KVM\_CREATE\_VM的时候，我们已经创建了一个struct file，它的file\_operations被设置为kvm\_vm\_fops，这个内核文件也是可以响应ioctl的。

如果我们切换到内核KVM，在kvm\_vm\_ioctl函数中，有对于KVM\_CREATE\_VCPU的处理，调用的是kvm\_vm\_ioctl\_create\_vcpu。

```
static long kvm_vm_ioctl(struct file *filp,
			   unsigned int ioctl, unsigned long arg)
{
	struct kvm *kvm = filp->private_data;
	void __user *argp = (void __user *)arg;
	int r;
	switch (ioctl) {
	case KVM_CREATE_VCPU:
		r = kvm_vm_ioctl_create_vcpu(kvm, arg);
		break;
	case KVM_SET_USER_MEMORY_REGION: {
		struct kvm_userspace_memory_region kvm_userspace_mem;
		if (copy_from_user(&kvm_userspace_mem, argp,
						sizeof(kvm_userspace_mem)))
			goto out;
		r = kvm_vm_ioctl_set_memory_region(kvm, &kvm_userspace_mem);
		break;
	}
......
	case KVM_CREATE_DEVICE: {
		struct kvm_create_device cd;
		if (copy_from_user(&cd, argp, sizeof(cd)))
			goto out;
		r = kvm_ioctl_create_device(kvm, &cd);
		if (copy_to_user(argp, &cd, sizeof(cd)))
			goto out;
		break;
	}
	case KVM_CHECK_EXTENSION:
		r = kvm_vm_ioctl_check_extension_generic(kvm, arg);
		break;
	default:
		r = kvm_arch_vm_ioctl(filp, ioctl, arg);
	}
out:
	return r;
}

```

在kvm\_vm\_ioctl\_create\_vcpu中，kvm\_arch\_vcpu\_create调用kvm\_x86\_ops的vcpu\_create函数来创建CPU。

```
static int kvm_vm_ioctl_create_vcpu(struct kvm *kvm, u32 id)
{
    int r;
    struct kvm_vcpu *vcpu;
    kvm->created_vcpus++;
......
    vcpu = kvm_arch_vcpu_create(kvm, id);
    preempt_notifier_init(&vcpu->preempt_notifier, &kvm_preempt_ops);
    r = kvm_arch_vcpu_setup(vcpu);
......
    /* Now it's all set up, let userspace reach it */
    kvm_get_kvm(kvm);
    r = create_vcpu_fd(vcpu);
    kvm->vcpus[atomic_read(&kvm->online_vcpus)] = vcpu;
......
}

struct kvm_vcpu *kvm_arch_vcpu_create(struct kvm *kvm,
                        unsigned int id)        
{
    struct kvm_vcpu *vcpu;
    vcpu = kvm_x86_ops->vcpu_create(kvm, id);
    return vcpu;
}

static int create_vcpu_fd(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
    return anon_inode_getfd("kvm-vcpu", &kvm_vcpu_fops, vcpu, O_RDWR | O_CLOEXEC);
}

```

然后，create\_vcpu\_fd又创建了一个struct file，它的file\_operations指向kvm\_vcpu\_fops。从这里可以看出，KVM的内核模块是一个文件，可以通过ioctl进行操作。基于这个内核模块创建的VM也是一个文件，也可以通过ioctl进行操作。在这个VM上创建的vcpu同样是一个文件，同样可以通过ioctl进行操作。

我们回过头来看，kvm\_x86\_ops的vcpu\_create函数。kvm\_x86\_ops对于不同的硬件加速虚拟化指向不同的结构，如果是vmx，则指向vmx\_x86\_ops；如果是svm，则指向svm\_x86\_ops。我们这里看vmx\_x86\_ops。这个结构很长，里面有非常多的操作，我们用一个看一个。

```
static struct kvm_x86_ops vmx_x86_ops __ro_after_init = {
......
	.vcpu_create = vmx_create_vcpu,
......
}

static struct kvm_vcpu *vmx_create_vcpu(struct kvm *kvm, unsigned int id)
{
    int err;
    struct vcpu_vmx *vmx = kmem_cache_zalloc(kvm_vcpu_cache, GFP_KERNEL);
    int cpu;
    vmx->vpid = allocate_vpid();
    err = kvm_vcpu_init(&vmx->vcpu, kvm, id);
    vmx->guest_msrs = kmalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);
    vmx->loaded_vmcs = &vmx->vmcs01;
    vmx->loaded_vmcs->vmcs = alloc_vmcs();
    vmx->loaded_vmcs->shadow_vmcs = NULL;
    loaded_vmcs_init(vmx->loaded_vmcs);

    cpu = get_cpu();
    vmx_vcpu_load(&vmx->vcpu, cpu);
    vmx->vcpu.cpu = cpu;
    err = vmx_vcpu_setup(vmx);
    vmx_vcpu_put(&vmx->vcpu);
    put_cpu();

    if (enable_ept) {
        if (!kvm->arch.ept_identity_map_addr)
            kvm->arch.ept_identity_map_addr =
                VMX_EPT_IDENTITY_PAGETABLE_ADDR;
        err = init_rmode_identity_map(kvm);
    }

    return &vmx->vcpu;
}

```

vmx\_create\_vcpu创建用于表示vcpu的结构struct vcpu\_vmx，并填写里面的内容。例如guest\_msrs，咱们在讲系统调用的时候提过msr寄存器，虚拟机也需要有这样的寄存器。

enable\_ept是和内存虚拟化相关的，EPT全称Extended Page Table，顾名思义，是优化内存虚拟化的，这个功能我们放到内存的那一节讲。

最最重要的就是loaded\_vmcs了。VMCS是什么呢？它的全称是Virtual Machine Control Structure。它是来干什么呢？

前面咱们讲进程调度的时候讲过，为了支持进程在CPU上的切换，CPU硬件要求有一个TSS结构，用于保存进程运行时的所有寄存器的状态，进程切换的时候，需要根据TSS恢复寄存器。

虚拟机也是一个进程，也需要切换，而且切换更加的复杂，可能是两个虚拟机之间切换，也可能是虚拟机切换给内核，虚拟机因为里面还有另一个操作系统，要保存的信息比普通的进程多得多。那就需要有一个结构来保存虚拟机运行的上下文，VMCS就是是Intel实现CPU虚拟化，记录vCPU状态的一个关键数据结构。

VMCS数据结构主要包含以下信息。

*   Guest-state area，即vCPU的状态信息，包括vCPU的基本运行环境，例如寄存器等。
*   Host-state area，是物理CPU的状态信息。物理CPU和vCPU之间也会来回切换，所以，VMCS中既要记录vCPU的状态，也要记录物理CPU的状态。
*   VM-execution control fields，对vCPU的运行行为进行控制。例如，发生中断怎么办，是否使用EPT（Extended Page Table）功能等。

接下来，对于VMCS，有两个重要的操作。

VM-Entry，我们称为从根模式切换到非根模式，也即切换到guest上，这个时候CPU上运行的是虚拟机。VM-Exit我们称为CPU从非根模式切换到根模式，也即从guest切换到宿主机。例如，当要执行一些虚拟机没有权限的敏感指令时。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1e/dc/1ec7600be619221dfac03e6ade67f7dc.png)

为了维护这两个动作，VMCS里面还有几项内容：

*   VM-exit control fields，对VM Exit的行为进行控制。比如，VM Exit的时候对vCPU来说需要保存哪些MSR寄存器，对于主机CPU来说需要恢复哪些MSR寄存器。
*   VM-entry control fields，对VM Entry的行为进行控制。比如，需要保存和恢复哪些MSR寄存器等。
*   VM-exit information fields，记录下发生VM Exit发生的原因及一些必要的信息，方便对VM Exit事件进行处理。

至此，内核准备完毕。

我们再回到qemu的kvm\_init\_vcpu函数，这里面除了创建内核中的vcpu结构之外，还通过mmap将内核的vcpu结构，映射到qemu中CPUState的kvm\_run中，为什么能用mmap呢，上面咱们不是说过了吗，vcpu也是一个文件。

我们再回到这个vcpu的线程函数qemu\_kvm\_cpu\_thread\_fn，他在执行kvm\_init\_vcpu创建vcpu之后，接下来是一个do-while循环，也即一直运行，并且通过调用kvm\_cpu\_exec，运行这个虚拟机。

```
int kvm_cpu_exec(CPUState *cpu)
{
    struct kvm_run *run = cpu->kvm_run;
    int ret, run_ret;
......
    do {
......
        run_ret = kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN, 0);
......
        switch (run->exit_reason) {
        case KVM_EXIT_IO:
            kvm_handle_io(run->io.port, attrs,
                          (uint8_t *)run + run->io.data_offset,
                          run->io.direction,
                          run->io.size,
                          run->io.count);
            break;
        case KVM_EXIT_IRQ_WINDOW_OPEN:
            ret = EXCP_INTERRUPT;
            break;
        case KVM_EXIT_SHUTDOWN:
            qemu_system_reset_request(SHUTDOWN_CAUSE_GUEST_RESET);
            ret = EXCP_INTERRUPT;
            break;
        case KVM_EXIT_UNKNOWN:
            fprintf(stderr, "KVM: unknown exit, hardware reason %" PRIx64 "\n",(uint64_t)run->hw.hardware_exit_reason);
            ret = -1;
            break;
        case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:
            ret = kvm_handle_internal_error(cpu, run);
            break;
......
        }
    } while (ret == 0);
......
    return ret;
}

```

在kvm\_cpu\_exec中，我们能看到一个循环，在循环中，kvm\_vcpu\_ioctl(KVM\_RUN)运行这个虚拟机，这个时候CPU进入VM-Entry，也即进入客户机模式。

如果一直是客户机的操作系统占用这个CPU，则会一直停留在这一行运行，一旦这个调用返回了，就说明CPU进入VM-Exit退出客户机模式，将CPU交还给宿主机。在循环中，我们会对退出的原因exit\_reason进行分析处理，因为有了I/O，还有了中断等，做相应的处理。处理完毕之后，再次循环，再次通过VM-Entry，进入客户机模式。如此循环，直到虚拟机正常或者异常退出。

我们来看kvm\_vcpu\_ioctl(KVM\_RUN)在内核做了哪些事情。

上面我们也讲了，vcpu在内核也是一个文件，也是通过ioctl进行用户态和内核态通信的，在内核中，调用的是kvm\_vcpu\_ioctl。

```
static long kvm_vcpu_ioctl(struct file *filp,
               unsigned int ioctl, unsigned long arg)
{
    struct kvm_vcpu *vcpu = filp->private_data;
    void __user *argp = (void __user *)arg;
    int r;
    struct kvm_fpu *fpu = NULL;
    struct kvm_sregs *kvm_sregs = NULL;
......
    r = vcpu_load(vcpu);
    switch (ioctl) {
    case KVM_RUN: {
        struct pid *oldpid;
        r = kvm_arch_vcpu_ioctl_run(vcpu, vcpu->run);
        break;
    }
    case KVM_GET_REGS: {
        struct kvm_regs *kvm_regs;
        kvm_regs = kzalloc(sizeof(struct kvm_regs), GFP_KERNEL);
        r = kvm_arch_vcpu_ioctl_get_regs(vcpu, kvm_regs);
        if (copy_to_user(argp, kvm_regs, sizeof(struct kvm_regs)))
            goto out_free1;
        break;
    }
    case KVM_SET_REGS: {
        struct kvm_regs *kvm_regs;
        kvm_regs = memdup_user(argp, sizeof(*kvm_regs));
        r = kvm_arch_vcpu_ioctl_set_regs(vcpu, kvm_regs);
        break;
    }
......
}

```

kvm\_arch\_vcpu\_ioctl\_run会调用vcpu\_run，这里面也是一个无限循环。

```
static int vcpu_run(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	int r;
	struct kvm *kvm = vcpu->kvm;

	for (;;) {
		if (kvm_vcpu_running(vcpu)) {
			r = vcpu_enter_guest(vcpu);
		} else {
			r = vcpu_block(kvm, vcpu);
		}
....
		if (signal_pending(current)) {
			r = -EINTR;
			vcpu->run->exit_reason = KVM_EXIT_INTR;
			++vcpu->stat.signal_exits;
			break;
		}
		if (need_resched()) {
			cond_resched();
		}
	}
......
	return r;
}

```

在这个循环中，除了调用vcpu\_enter\_guest进入客户机模式运行之外，还有对于信号的响应signal\_pending，也即一台虚拟机是可以被kill掉的，还有对于调度的响应，这台虚拟机可以被从当前的物理CPU上赶下来，换成别的虚拟机或者其他进程。

我们这里重点看vcpu\_enter\_guest。

```
static int vcpu_enter_guest(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	r = kvm_mmu_reload(vcpu);
	vcpu->mode = IN_GUEST_MODE;
	kvm_load_guest_xcr0(vcpu);
......
	guest_enter_irqoff();
	kvm_x86_ops->run(vcpu);
	vcpu->mode = OUTSIDE_GUEST_MODE;
......
	kvm_put_guest_xcr0(vcpu);
	kvm_x86_ops->handle_external_intr(vcpu);
	++vcpu->stat.exits;
	guest_exit_irqoff();
	r = kvm_x86_ops->handle_exit(vcpu);
	return r;
......
}

static struct kvm_x86_ops vmx_x86_ops __ro_after_init = {
......
	.run = vmx_vcpu_run,
......
}

```

在vcpu\_enter\_guest中，我们会调用vmx\_x86\_ops 的vmx\_vcpu\_run函数，进入客户机模式。

```
static void __noclone vmx_vcpu_run(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	struct vcpu_vmx *vmx = to_vmx(vcpu);
	unsigned long debugctlmsr, cr3, cr4;
......
	cr3 = __get_current_cr3_fast();
......
	cr4 = cr4_read_shadow();
......
	vmx->__launched = vmx->loaded_vmcs->launched;
	asm(
		/* Store host registers */
		"push %%" _ASM_DX "; push %%" _ASM_BP ";"
		"push %%" _ASM_CX " \n\t" /* placeholder for guest rcx */
		"push %%" _ASM_CX " \n\t"
......
		/* Load guest registers.  Don't clobber flags. */
		"mov %c[rax](%0), %%" _ASM_AX " \n\t"
		"mov %c[rbx](%0), %%" _ASM_BX " \n\t"
		"mov %c[rdx](%0), %%" _ASM_DX " \n\t"
		"mov %c[rsi](%0), %%" _ASM_SI " \n\t"
		"mov %c[rdi](%0), %%" _ASM_DI " \n\t"
		"mov %c[rbp](%0), %%" _ASM_BP " \n\t"
#ifdef CONFIG_X86_64
		"mov %c[r8](%0),  %%r8  \n\t"
		"mov %c[r9](%0),  %%r9  \n\t"
		"mov %c[r10](%0), %%r10 \n\t"
		"mov %c[r11](%0), %%r11 \n\t"
		"mov %c[r12](%0), %%r12 \n\t"
		"mov %c[r13](%0), %%r13 \n\t"
		"mov %c[r14](%0), %%r14 \n\t"
		"mov %c[r15](%0), %%r15 \n\t"
#endif
		"mov %c[rcx](%0), %%" _ASM_CX " \n\t" /* kills %0 (ecx) */

		/* Enter guest mode */
		"jne 1f \n\t"
		__ex(ASM_VMX_VMLAUNCH) "\n\t"
		"jmp 2f \n\t"
		"1: " __ex(ASM_VMX_VMRESUME) "\n\t"
		"2: "
		/* Save guest registers, load host registers, keep flags */
		"mov %0, %c[wordsize](%%" _ASM_SP ") \n\t"
		"pop %0 \n\t"
		"mov %%" _ASM_AX ", %c[rax](%0) \n\t"
		"mov %%" _ASM_BX ", %c[rbx](%0) \n\t"
		__ASM_SIZE(pop) " %c[rcx](%0) \n\t"
		"mov %%" _ASM_DX ", %c[rdx](%0) \n\t"
		"mov %%" _ASM_SI ", %c[rsi](%0) \n\t"
		"mov %%" _ASM_DI ", %c[rdi](%0) \n\t"
		"mov %%" _ASM_BP ", %c[rbp](%0) \n\t"
#ifdef CONFIG_X86_64
		"mov %%r8,  %c[r8](%0) \n\t"
		"mov %%r9,  %c[r9](%0) \n\t"
		"mov %%r10, %c[r10](%0) \n\t"
		"mov %%r11, %c[r11](%0) \n\t"
		"mov %%r12, %c[r12](%0) \n\t"
		"mov %%r13, %c[r13](%0) \n\t"
		"mov %%r14, %c[r14](%0) \n\t"
		"mov %%r15, %c[r15](%0) \n\t"
#endif
		"mov %%cr2, %%" _ASM_AX "   \n\t"
		"mov %%" _ASM_AX ", %c[cr2](%0) \n\t"

		"pop  %%" _ASM_BP "; pop  %%" _ASM_DX " \n\t"
		"setbe %c[fail](%0) \n\t"
		".pushsection .rodata \n\t"
		".global vmx_return \n\t"
		"vmx_return: " _ASM_PTR " 2b \n\t"
......
	      );
......
	vmx->loaded_vmcs->launched = 1;
	vmx->exit_reason = vmcs_read32(VM_EXIT_REASON);
......
}

```

在vmx\_vcpu\_run中，出现了汇编语言的代码，比较难看懂，但是没有关系呀，里面有注释呀，我们可以沿着注释来看。

*   首先是Store host registers，要从宿主机模式变为客户机模式了，所以原来宿主机运行时候的寄存器要保存下来。
*   接下来是Load guest registers，将原来客户机运行的时候的寄存器加载进来。
*   接下来是Enter guest mode，调用ASM\_VMX\_VMLAUNCH进入客户机模型运行，或者ASM\_VMX\_VMRESUME恢复客户机模型运行。
*   如果客户机因为某种原因退出，Save guest registers, load host registers，也即保存客户机运行的时候的寄存器，就加载宿主机运行的时候的寄存器。
*   最后将exit\_reason保存在vmx结构中。

至此，CPU虚拟化就解析完了。

## 总结时刻

CPU的虚拟化过程还是很复杂的，我画了一张图总结了一下。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/c4/67/c43639f7024848aa3e828bcfc10ca467.png)

*   首先，我们要定义CPU这种类型的TypeInfo和TypeImpl、继承关系，并且声明它的类初始化函数。
*   在qemu的main函数中调用MachineClass的init函数，这个函数既会初始化CPU，也会初始化内存。
*   CPU初始化的时候，会调用pc\_new\_cpu创建一个虚拟CPU，它会调用CPU这个类的初始化函数。
*   每一个虚拟CPU会调用qemu\_thread\_create创建一个线程，线程的执行函数为qemu\_kvm\_cpu\_thread\_fn。
*   在虚拟CPU对应的线程执行函数中，我们先是调用kvm\_vm\_ioctl(KVM\_CREATE\_VCPU)，在内核的KVM里面，创建一个结构struct vcpu\_vmx，表示这个虚拟CPU。在这个结构里面，有一个VMCS，用于保存当前虚拟机CPU的运行时的状态，用于状态切换。
*   在虚拟CPU对应的线程执行函数中，我们接着调用kvm\_vcpu\_ioctl(KVM\_RUN)，在内核的KVM里面运行这个虚拟机CPU。运行的方式是保存宿主机的寄存器，加载客户机的寄存器，然后调用\_\_ex(ASM\_VMX\_VMLAUNCH)或者\_\_ex(ASM\_VMX\_VMRESUME)，进入客户机模式运行。一旦退出客户机模式，就会保存客户机寄存器，加载宿主机寄存器，进入宿主机模式运行，并且会记录退出虚拟机模式的原因。大部分的原因是等待I/O，因而宿主机调用kvm\_handle\_io进行处理。

## 课堂练习

在咱们上面操作KVM的过程中，出现了好几次文件系统。不愧是“Linux中一切皆文件”。那你能否整理一下这些文件系统之间的关系呢？

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/37/8c0a95fa07a8b9a1abfd394479bdd637.jpg)