【原创】Linux虚拟化KVM-Qemu分析（十一）之virtqueue

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

汪汪汪，最近忙成狗了，一下子把我更新的节奏打乱了，草率的道个歉。

• 前边系列将Virtio Device和Virtio Driver都已经讲完，本文将分析virtqueue；
• virtqueue用于前后端之间的数据交换，一看到这种数据队列，首先想到的就是ring-buffer，实际的实现会是怎么样的呢？

2. 数据结构

先看一下核心的数据结构：

• 通常Virtio设备操作Virtqueue时，都是通过struct virtqueue结构体，这个可以理解成对外的一个接口，而Virtqueue机制的实现依赖于struct vring_virtqueue结构体；
• Virtqueue有三个核心的数据结构，由struct vring负责组织：
  1. struct vring_desc：描述符表，每一项描述符指向一片内存，内存类型可以分为out类型和in类型，分别代表输出和输入，而内存的管理都由驱动来负责。该结构体中的next字段，可用于将多个描述符构成一个描述符链，而flag字段用于描述属性，比如只读只写等；
  2. struct vring_avail：可用描述符区域，用于记录设备可用的描述符ID，它的主体是数组ring，实际就是一个环形缓冲区；
  3. struct vring_used：已用描述符区域，用于记录设备已经处理完的描述符ID，同样，它的ring数组也是环形缓冲区，与struct vring_avail不同的是，它还记录了设备写回的数据长度；

这么看，当然是有点不太直观，所以，下图来了：

• 简单来说，驱动会分配好内存（scatterlist），并通过virtqueue_add添加到描述表中，这样描述符表中的条目就都能对应到具体的物理地址了，其实可以把它理解成一个资源池子；
• 驱动可以将可用的资源更新到struct vring_avail中，也就是将可用的描述符ID添加到ring数组中，熟悉环形缓冲区的同学应该清楚它的机制，通过维护头尾两个指针来进行管理，Driver负责更新头指针（idx），Device负责更新尾指针（Qemu中的Device负责维护一个last_avail_idx），头尾指针，你追我赶，生生不息；
• 当设备使用完了后，将已用的描述符ID更新到struct vring_used中，vring_virtqueue自身维护了last_used_idx，机制与struct vring_avail一致；

3. 流程分析

3.1 发送

当驱动需要把数据发送给设备时，流程如上图所示：

1. ①A表示分配一个Buffer并添加到Virtqueue中，①B表示从Used队列中获取一个Buffer，这两种中选择一种方式；
2. ②表示将Data拷贝到Buffer中，用于传送；
3. ③表示更新Avail队列中的描述符索引值，注意，驱动中需要执行memory barrier操作，确保Device能看到正确的值；
4. ④与⑤表示Driver通知Device来取数据；
5. ⑥表示Device从Avail队列中获取到描述符索引值；
6. ⑦表示将描述符索引对应的地址中的数据取出来；
7. ⑧表示Device更新Used队列中的描述符索引；
8. ⑨与⑩表示Device通知Driver数据已经取完了；

3.2 接收

当驱动从设备接收数据时，流程如上图所示：

1. ①表示Device从Avail队列中获取可用描述符索引值；
2. ②表示将数据拷贝至描述符索引对应的地址上；
3. ③表示更新Used队列中的描述符索引值；
4. ④与⑤表示Device通知Driver来取数据；
5. ⑥表示Driver从Used队列中获取已用描述符索引值；
6. ⑦表示将描述符索引对应地址中的数据取出来；
7. ⑧表示将Avail队列中的描述符索引值进行更新；
8. ⑨与⑩表示Driver通知Device有新的可用描述符；

3.3 代码分析

代码的分析将围绕下边这个图来展开（Virtio-Net），偷个懒，只分析单向数据发送了：

3.3.1 virtqueue创建

• 之前的系列文章分析过virtio设备和驱动，Virtio-Net是PCI网卡设备驱动，分别会在virtnet-probe和virtio_pci_probe中完成所有的初始化；
• virtnet_probe函数入口中，通过init_vqs完成Virtqueue的初始化，这个逐级调用关系如图所示，最终会调用到vring_create_virtqueue来创建Virtqueue；
• 这个创建的过程中，有些细节是忽略的，比如通过PCI去读取设备的配置空间，获取创建Virtqueue所需要的信息等；
• 最终就是围绕vring_virtqueue数据结构的初始化展开，其中vring数据结构的内存分配也都是在驱动中完成，整个结构体都由驱动来管理与维护；

3.3.2 virtio-net驱动发送

• 网络数据的传输在驱动中通过start_xmit函数来实现；
• xmit_skb函数中，sg_init_table初始化sg列表，sg_set_buf将sg指向特定的buffer，skb_to_sgvec将socket buffer中的数据填充sg；
• 通过virtqueue_add_outbuf将sg添加到Virtqueue中，并更新Avail队列中描述符的索引值；
• virtqueue_notify通知Device，可以过来取数据了；

3.3.3 Qemu virtio-net设备接收

• Guest驱动写寄存器操作时，陷入到KVM中，最终Qemu会捕获到进行处理，入口函数为kvm_handle_io；
• Qemu中会针对IO内存区域设置读写的操作函数，当Guest进行IO操作时，最终触发操作函数的调用，针对Virtio-Net，由于它是PCI设备，操作函数为virtio_pci_config_write；
• virtio_pci_config_write函数中，对Guest的写操作进行判断并处理，比如在VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY时，调用virtio_queue_notify，用于处理Guest驱动的通知，并最终回调handle_output函数；
• 针对Virtio-Net设备，发送的回调函数为virtio_net_handle_tx_bh，并在virtio_net_flush_tx中完成操作；
• 通用的操作模型：通过virtqueue_pop从Avail队列中获取地址，将数据进行处理，通过virtqueue_push将处理完后的描述符索引更新到Used队列中，通过virtio_notify通知Guest驱动；

Virtqueue这种设计思想比较巧妙，不仅用在virtio中，在AMP系统中处理器之间的通信也能看到它的身影。
草草收场了，下回见。

参考

https://www.redhat.com/en/blog/virtqueues-and-virtio-ring-how-data-travels
Virtual I/O Device Version 1.1

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