【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

• 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；

2. 虚拟化下的内存访问

• 虚拟化情况下，内存的访问会分为两个Stage，Hypervisor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 1：VA(Virtual Address)->IPA(Intermediate Physical Address)，Host的操作系统控制Stage 1的转换；
• Stage 2：IPA(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

• 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：

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：

• 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：

• 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_CREATE，KVM_MR_MOVE，KVM_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：

• 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memslots，memslots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：

• 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_LOW和ESR_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EL2的el1_sync（arch/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：

• 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；
• 在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：

• 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_EL2的EC，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_FAULT，FSC_PERM，FSC_ACCESS三种类型的话，直接返回错误；
• gfn_to_memslot，gfn_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_BAD。kvm_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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