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【原创】Linux虚拟化KVM-Qemu分析(五)之内存虚拟化


背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

  1. KVM版本:5.9.1
  2. QEMU版本:5.0.0
  3. 工具:Source Insight 3.5, Visio
  4. 文章同步在博客园:https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

1. 概述

《Linux虚拟化KVM-Qemu分析(二)之ARMv8虚拟化》文中描述过内存虚拟化大体框架,再来回顾一下:

  1. 非虚拟化下的内存的访问

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  • CPU访问物理内存前,需要先建立页表映射(虚拟地址到物理地址的映射),最终通过查表的方式来完成访问。在ARMv8中,内核页表基地址存放在TTBR1_EL1中,用户空间页表基地址存放在TTBR0_EL0中;
  1. 虚拟化下的内存访问

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  • 虚拟化情况下,内存的访问会分为两个StageHypervisor通过Stage 2来控制虚拟机的内存视图,控制虚拟机是否可以访问某块物理内存,进而达到隔离的目的;
  • Stage 1VA(Virtual Address)->IPA(Intermediate Physical Address),Host的操作系统控制Stage 1的转换;
  • Stage 2IPA(Intermediate Physical Address)->PA(Physical Address),Hypervisor控制Stage 2的转换;

猛一看上边两个图,好像明白了啥,仔细一想,啥也不明白,本文的目标就是将这个过程讲明白。

在开始细节讲解之前,需要先描述几个概念:

gva - guest virtual address gpa - guest physical address hva - host virtual address hpa - host physical address 

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  • Guest OS中的虚拟地址到物理地址的映射,就是典型的常规操作,参考之前的内存管理模块系列文章;

铺垫了这么久,来到了本文的两个主题:

  1. GPA->HVA;
  2. HVA->HPA;

开始吧!

2. GPA->HVA

还记得上一篇文章《Linux虚拟化KVM-Qemu分析(四)之CPU虚拟化(2)》中的Sample Code吗?
KVM-Qemu方案中,GPA->HVA的转换,是通过ioctl中的KVM_SET_USER_MEMORY_REGION命令来实现的,如下图:

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找到了入口,让我们进一步揭开神秘的面纱。

2.1 数据结构

关键的数据结构如下:
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  • 虚拟机使用slot来组织物理内存,每个slot对应一个struct kvm_memory_slot,一个虚拟机的所有slot构成了它的物理地址空间;
  • 用户态使用struct kvm_userspace_memory_region来设置内存slot,在内核中使用struct kvm_memslots结构来将kvm_memory_slot组织起来;
  • struct kvm_userspace_memory_region结构体中,包含了slot的ID号用于查找对应的slot,此外还包含了物理内存起始地址及大小,以及HVA地址,HVA地址是在用户进程地址空间中分配的,也就是Qemu进程地址空间中的一段区域;

2.2 流程分析

数据结构部分已经罗列了大体的关系,那么在KVM_SET_USER_MEMORY_REGION时,围绕的操作就是slots的创建、删除,更新等操作,话不多说,来图了:

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  • 当用户要设置内存区域时,最终会调用到__kvm_set_memory_region函数,在该函数中完成所有的逻辑处理;
  • __kvm_set_memory_region函数,首先会对传入的struct kvm_userspace_memory_region的各个字段进行合法性检测判断,主要是包括了地址的对齐,范围的检测等;
  • 根据用户传递的slot索引号,去查找虚拟机中对应的slot,查找的结果只有两种:1)找到一个现有的slot;2)找不到则新建一个slot;
  • 如果传入的参数中memory_size为0,那么会将对应slot进行删除操作;
  • 根据用户传入的参数,设置slot的处理方式:KVM_MR_CREATEKVM_MR_MOVEKVM_MEM_READONLY
  • 根据用户传递的参数决定是否需要分配脏页的bitmap,标识页是否可用;
  • 最终调用kvm_set_memslot来设置和更新slot信息;

2.2.1 kvm_set_memslot

具体的memslot的设置在kvm_set_memslot函数中完成,slot的操作流程如下:

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  • 首先分配一个新的memslots,并将原来的memslots内容复制到新的memslots中;
  • 如果针对slot的操作是删除或者移动,首先根据旧的slot id号从memslots中找到原来的slot,将该slot设置成不可用状态,再将memslots安装回去。这个安装的意思,就是RCU的assignment操作,不理解这个的,建议去看看之前的RCU系列文章。由于slot不可用了,需要解除stage2的映射;
  • kvm_arch_prepare_memory_region函数,用于处理新的slot可能跨越多个用户进程VMA区域的问题,如果为设备区域,还需要将该区域映射到Guest IPA中;
  • update_memslots用于更新整个memslotsmemslots基于PFN来进行排序的,添加、删除、移动等操作都是基于这个条件。由于都是有序的,因此可以选择二分法来进行查找操作;
  • 将添加新的slot后的memslots安装回KVM中;
  • kvfree用于将原来的memslots释放掉;

2.2.2 kvm_delete_memslot

kvm_delete_memslot函数,实际就是调用的kvm_set_memslot函数,只是slot的操作设置成KVM_MR_DELETE而已,不再赘述。

3. HVA->HPA

光有了GPA->HVA,似乎还是跟Hypervisor没有太大关系,到底是怎么去访问物理内存的呢?貌似也没有看到去建立页表映射啊?
跟我走吧,带着问题出发!

之前内存管理相关文章中提到过,用户态程序中分配虚拟地址vma后,实际与物理内存的映射是在page fault时进行的。那么同样的道理,我们可以顺着这个思路去查找是否HVA->HPA的映射也是在异常处理的过程中创建的?答案是显然的。

回顾一下前文《Linux虚拟化KVM-Qemu分析(四)之CPU虚拟化(2)》的一张图片:

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  • 当用户态触发kvm_arch_vcpu_ioctl_run时,会让Guest OS去跑在Hypervisor上,当Guest OS中出现异常退出到Host时,此时handle_exit将对退出的原因进行处理;

异常处理函数arm_exit_handlers如下,具体调用选择哪个处理函数,是根据ESR_EL2, Exception Syndrome Register(EL2)中的值来确定的。

static exit_handle_fn arm_exit_handlers[] = { 	[0 ... ESR_ELx_EC_MAX]	= kvm_handle_unknown_ec, 	[ESR_ELx_EC_WFx]	= kvm_handle_wfx, 	[ESR_ELx_EC_CP15_32]	= kvm_handle_cp15_32, 	[ESR_ELx_EC_CP15_64]	= kvm_handle_cp15_64, 	[ESR_ELx_EC_CP14_MR]	= kvm_handle_cp14_32, 	[ESR_ELx_EC_CP14_LS]	= kvm_handle_cp14_load_store, 	[ESR_ELx_EC_CP14_64]	= kvm_handle_cp14_64, 	[ESR_ELx_EC_HVC32]	= handle_hvc, 	[ESR_ELx_EC_SMC32]	= handle_smc, 	[ESR_ELx_EC_HVC64]	= handle_hvc, 	[ESR_ELx_EC_SMC64]	= handle_smc, 	[ESR_ELx_EC_SYS64]	= kvm_handle_sys_reg, 	[ESR_ELx_EC_SVE]	= handle_sve, 	[ESR_ELx_EC_IABT_LOW]	= kvm_handle_guest_abort, 	[ESR_ELx_EC_DABT_LOW]	= kvm_handle_guest_abort, 	[ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW]= kvm_handle_guest_debug, 	[ESR_ELx_EC_WATCHPT_LOW]= kvm_handle_guest_debug, 	[ESR_ELx_EC_BREAKPT_LOW]= kvm_handle_guest_debug, 	[ESR_ELx_EC_BKPT32]	= kvm_handle_guest_debug, 	[ESR_ELx_EC_BRK64]	= kvm_handle_guest_debug, 	[ESR_ELx_EC_FP_ASIMD]	= handle_no_fpsimd, 	[ESR_ELx_EC_PAC]	= kvm_handle_ptrauth, }; 

用你那双水汪汪的大眼睛扫描一下这个函数表,发现ESR_ELx_EC_DABT_LOWESR_ELx_EC_IABT_LOW两个异常,这不就是指令异常和数据异常吗,我们大胆的猜测,HVA->HPA映射的建立就在kvm_handle_guest_abort函数中。

3.1 kvm_handle_guest_abort

先来补充点知识点,可以更方便的理解接下里的内容:

  1. Guest OS在执行到敏感指令时,产生EL2异常,CPU切换模式并跳转到EL2el1_syncarch/arm64/kvm/hyp/entry-hyp.S)异常入口;
  2. CPU的ESR_EL2寄存器记录了异常产生的原因;
  3. Guest退出到kvm后,kvm根据异常产生的原因进行对应的处理。

简要看一下ESR_EL2寄存器:

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  • EC:Exception class,异常类,用于标识异常的原因;
  • ISS:Instruction Specific Syndrome,ISS域定义了更详细的异常细节;
  • kvm_handle_guest_abort函数中,多处需要对异常进行判断处理;

kvm_handle_guest_abort函数,处理地址访问异常,可以分为两类:

  1. 常规内存访问异常,包括未建立页表映射、读写权限等;
  2. IO内存访问异常,IO的模拟通常需要Qemu来进行模拟;

先看一下kvm_handle_guest_abort函数的注释吧:

/**  * kvm_handle_guest_abort - handles all 2nd stage aborts  *  * Any abort that gets to the host is almost guaranteed to be caused by a  * missing second stage translation table entry, which can mean that either the  * guest simply needs more memory and we must allocate an appropriate page or it  * can mean that the guest tried to access I/O memory, which is emulated by user  * space. The distinction is based on the IPA causing the fault and whether this  * memory region has been registered as standard RAM by user space.  */ 
  • 到达Host的abort都是由于缺乏Stage 2页表转换条目导致的,这个可能是Guest需要分配更多内存而必须为其分配内存页,或者也可能是Guest尝试去访问IO空间,IO操作由用户空间来模拟的。两者的区别是触发异常的IPA地址是否已经在用户空间中注册为标准的RAM;

调用流程来了:

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  • kvm_vcpu_trap_get_fault_type用于获取ESR_EL2的数据异常和指令异常的fault status code,也就是ESR_EL2的ISS域;
  • kvm_vcpu_get_fault_ipa用于获取触发异常的IPA地址;
  • kvm_vcpu_trap_is_iabt用于获取异常类,也就是ESR_EL2EC,并且判断是否为ESR_ELx_IABT_LOW,也就是指令异常类型;
  • kvm_vcpu_dabt_isextabt用于判断是否为同步外部异常,同步外部异常的情况下,如果支持RAS,Host能处理该异常,不需要将异常注入给Guest;
  • 异常如果不是FSC_FAULTFSC_PERMFSC_ACCESS三种类型的话,直接返回错误;
  • gfn_to_memslotgfn_to_hva_memslot_prot这两个函数,是根据IPA去获取到对应的memslot和HVA地址,这个地方就对应到了上文中第二章节中地址关系的建立了,由于建立了连接关系,便可以通过IPA去找到对应的HVA;
  • 如果注册了RAM,能获取到正确的HVA,如果是IO内存访问,那么HVA将会被设置成KVM_HVA_ERR_BADkvm_is_error_hva或者(write_fault && !writable)代表两种错误:1)指令错误,向Guest注入指令异常;2)IO访问错误,IO访问又存在两种情况:2.1)Cache维护指令,则直接跳过该指令;2.2)正常的IO操作指令,调用io_mem_abort进行IO模拟操作;
  • handle_access_fault用于处理访问权限问题,如果内存页无法访问,则对其权限进行更新;
  • user_mem_abort,用于分配更多的内存,实际上就是完成Stage 2页表映射的建立,根据异常的IPA地址,已经对应的HVA,建立映射,细节的地方就不表了。

来龙去脉摸清楚了,那就草草收场吧,下回见了。

参考

《Arm Architecture Registers Armv8, for Armv8-A architecture profile》

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