virtio简介（二） —— virtio-balloon guest侧驱动

目录

• 一： 概要
  •     2.1 驱动注册
  •     2.2 vballoon如何运作
  •     2.3 balloon充气过程
  •     2.4 leak_balloon过程
• 二：驱动创建

 

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一： 概要

    在后端模拟出balloon设备后，gustos在启动时会扫描到此设备，遵循linux设备模型调用设备的初始化工作。Virtio-balloon属于 virtio体系，很多工作的细节需要再分析virtio的工作流程，本章暂且只分析balloon的行为，涉及virtio的部分插桩分析向后再补充分析。

    balloon执行流程如下：

 

 

 

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二：驱动创建

    2.1 驱动注册

        Linux设备驱动模型中，各驱动可以按总线类别进行划分，且每个总线类别下可以挂载“驱动”和“设备”两类对象。内核就维护了这样一张“总线”到“驱动和设备”的总表，每当一个新驱动加进内核时，内核会扫描该驱动所挂载总线上的所有设备，并通过比对驱动中的id_table字段和设备配置空间中的Device ID，如果相同则代表该驱动可以为该设备服务，那内核就会针对该设备调用总线的probe函数(如果总线没有probe函数，再调用驱动的probe函数)。
        另外一种情况是往总线上插入一个新设备，内核同样会扫描总线上的所有驱动，看哪个驱动匹配该设备，如果匹配也对该设备调用总线的probe函数(如果总线没有probe函数，再调用驱动的probe函数)。

　　Linux内核中前端代码主要包括driver/virtio目录下相关文件及driver/virtio_balloon.c，最终生成的内核模块有virtio.ko，virtio_ring.ko，virtio_pci.ko和virtio_balloon.ko。
　　由于virtio-balloon-pci设备是virtio-pci设备，而virtio-pci设备又是pci设备，所以virtio-pci设备的驱动会注册到pci总线上面，因此，整个初始化过程如下:
　　(1)内核会首先找到virito-pci.ko这个驱动模块，并依次加载virtio.ko,virtio-ring.ko和virtio_pci.ko (virtio_pci.ko依赖前两个模块)执行其模块初始化函数，其中，virtio.ko模块会在系统中注册一种新的总线类型virtio总线，virtio_pci的初始化函数会调用其注册的virtio_pci_probe函数；
　　(2)virtio_pci_probe注册一个virtio设备(register_virtio_device)；
　　(3)内核再次为这个virtio设备搜索驱动模块，最终找到virtio_balloon.ko并加载调用其模块初始化函数；
　　(4)virtio_balloon初始化函数在virtio总线上添加了virtio_balloon驱动并调用了总线的probe函数(总线的probe函数优先级高于总线上设备的probe函数)即virtio_dev_probe；
　　(5)virtio_dev_probe调用virtballoon_probe完成最后的初始化任务。

        我们最终需要关注的是virtballoon_probe这个函数是怎么被调用到的，linux设备初始化开始到调用到virtballoon_probe的过程简化如下，仅供参考：

 

 

        驱动可执行的动作包含在virtio_balloon_driver定义的结构体中。先来看下这个结构体的内容，文件位置driver/virtio/virtio_balloon.c。

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static unsigned int features[] = {     VIRTIO_BALLOON_F_MUST_TELL_HOST,     VIRTIO_BALLOON_F_STATS_VQ,     VIRTIO_BALLOON_F_DEFLATE_ON_OOM, };   static struct virtio_driver virtio_balloon_driver = {     .feature_table = features,     .feature_table_size = ARRAY_SIZE(features),     .driver.name =  KBUILD_MODNAME,     .driver.owner = THIS_MODULE,     .id_table = id_table,     .probe =    virtballoon_probe,     .remove =   virtballoon_remove,     .config_changed = virtballoon_changed, #ifdef CONFIG_PM_SLEEP     .freeze =   virtballoon_freeze,     .restore =  virtballoon_restore, #endif }; module_virtio_driver(virtio_balloon_driver);

        可以看到，注册的 driver中注册了feature属性，driver的名称和owner，驱动加载的probe卸载的remove，感知变化的config_changed，这三个函数做了主要的工作。 先来看下加载做了什么工作。

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static int virtballoon_probe(struct virtio_device *vdev) {     struct virtio_balloon *vb;     int err;       //device的get回调函数，用来获取qemu侧模拟的设备的config数据     //回调在virtio_pci_modern.c中注册，原型为vp_get     if (!vdev->config->get) {         dev_err(&vdev->dev, "%s failure: config access disabled\n",             __func__);         return -EINVAL;     }     //申请一个virtio_balloon结构     vdev->priv = vb = vb_dev = kmalloc(sizeof(*vb), GFP_KERNEL);     if (!vb) {         err = -ENOMEM;         goto out;     }     //需要释放的页面默认为0，即gust默认保留全部页面，不使用balloon释放     vb->num_pages = 0;     mutex_init(&vb->balloon_lock);     //初始化了两个工作队列，用于通知对应工作队列有消息到达，需要被唤醒     init_waitqueue_head(&vb->config_change);     init_waitqueue_head(&vb->acked);     vb->vdev = vdev;     vb->need_stats_update = 0;     //尝试申请用于balloon的页面，如果失败一次则增加一     //用来记录失败次数，如果短时间失败过多表明gust无多余内存可提供给balloon     vb->alloc_page_tried = 0;     //是否停止balloon，如gustos发生了lowmemkiller即内存不够gust使用，则停止balloon     atomic_set(&vb->stop_balloon, 0);       balloon_devinfo_init(&vb->vb_dev_info); #ifdef CONFIG_BALLOON_COMPACTION     vb->vb_dev_info.migratepage = virtballoon_migratepage; #endif     //初始化virtqueue，用于和后端设备进行通信     //创建了3个queue用于ivq/dvq/svq时间的信息传输     //同时注册了三个callback函数，用来唤醒上面写的两个工作队列     err = init_vqs(vb);     if (err)         goto out_free_vb;         //向oom的notify链表中添加处理回调函数，在out_of_memory函数中会调用     vb->nb.notifier_call = virtballoon_oom_notify;     vb->nb.priority = VIRTBALLOON_OOM_NOTIFY_PRIORITY;     err = register_oom_notifier(&vb->nb);     if (err < 0)         goto out_oom_notify;     //读取设备侧config的status，检查VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK是否置位     //若已置位说明设备侧已经可用     virtio_device_ready(vdev);     //启动vballoon线程，balloon主要操作在这里完成     vb->thread = kthread_run(balloon, vb, "vballoon");     if (IS_ERR(vb->thread)) {         err = PTR_ERR(vb->thread);         goto out_del_vqs;     }       return 0;   out_del_vqs:     unregister_oom_notifier(&vb->nb); out_oom_notify:     vdev->config->del_vqs(vdev); out_free_vb:     kfree(vb); out:     return err; }

        可以看到，这里的主要工作有：

        1. 通过init_waitqueue_head初始化了两个工作队列用来接收QEMU发来的notify

        2. 通过init_vqs初始化了3个 virt_queue用来和qemu发送balloon进行inflate/deflate的page地址信息以及callback回调

        3. 启动内核线程执行vballoon，执行balloon的具体操作

    2.2 vballoon如何运作

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static int balloon(void *_vballoon) {     struct virtio_balloon *vb = _vballoon;     //注册工作队列的唤醒函数     DEFINE_WAIT_FUNC(wait, woken_wake_function);       set_freezable();     while (!kthread_should_stop()) {         s64 diff;           try_to_freeze();         //将wait添加到config_change的队列，等待唤醒         //唤醒操作需要virtballoon_changed处理，其注册到了驱动的config_changed         //qemu执行virtio_notify_config发送notify时会被调用         /*gust侧唤醒队列的调用栈如下         vp_interrupt           -> vp_config_changed             -> virtio_config_changed               -> __virtio_config_changed                 ->  drv->config_changed(virtballoon_changed)         */         add_wait_queue(&vb->config_change, &wait);         for (;;) {             //towards_target用来计算要释放的page数量->num_pages             if (((diff = towards_target(vb)) != 0 &&                 vb->alloc_page_tried < 5) ||                 vb->need_stats_update ||                 !atomic_read(&vb->stop_balloon) ||                 kthread_should_stop() ||                 freezing(current))                 //需要执行balloon则退出这层循环                 break;             wait_woken(&wait, TASK_INTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);                           vb->alloc_page_tried = 0;             atomic_set(&vb_dev->stop_balloon, 0);         }         //去除等待队列，处理时暂不接受新的balloon的notify         remove_wait_queue(&vb->config_change, &wait);         //更新stat信息，在初始化时置零，在stats_request调用时置一，并唤醒config_change队列         //stats_request放入了virtqueue的callback         if (vb->need_stats_update)             stats_handle_request(vb);         //diff大于零表示需要重gust申请内存放入balloon，释放内存         //这样gust可用的内存减少，因为内存释放所以host可用内存增多         if (diff > 0)             fill_balloon(vb, diff);         //diff小于零，表示gust需要从balloon中回收内存         //这样gust可用内存增加，host内存被gust占用则可用内存减少         else if (diff < 0)             leak_balloon(vb, -diff);         //更新balloon中记录的actual，刷新balloon实际申请到或释放掉的内存         update_balloon_size(vb);           /*          * For large balloon changes, we could spend a lot of time          * and always have work to do.  Be nice if preempt disabled.          */         cond_resched();     }     return 0; }

       主要涉及到的处理：

        1. 添加等待队列，等待config_change被唤醒，即QEMU有执行balloon操作

        2. 计算需要申请或者释放的空间，即diff值

        3. 如果需要申请或者释放空间，则调用fill_balloon或者leak_balloon进行操作

        4. 更新balloon实际占用的空间，记录到actual变量中，并通知给QEMU

       计算diff值的操作如下

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static inline s64 towards_target(struct virtio_balloon *vb) {     s64 target;     u32 num_pages;     //获取最新的num_pages数据     virtio_cread(vb->vdev, struct virtio_balloon_config, num_pages,              &num_pages);       /* Legacy balloon config space is LE, unlike all other devices. */     if (!virtio_has_feature(vb->vdev, VIRTIO_F_VERSION_1))         num_pages = le32_to_cpu((__force __le32)num_pages);       target = num_pages;     //使用最新的num_pages数据和已有的数据做差     return target - vb->num_pages; }

 

    2.3 balloon充气过程

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static void fill_balloon(struct virtio_balloon *vb, size_t num) {     struct balloon_dev_info *vb_dev_info = &vb->vb_dev_info;       /* We can only do one array worth at a time. */     num = min(num, ARRAY_SIZE(vb->pfns));       mutex_lock(&vb->balloon_lock);     for (vb->num_pfns = 0; vb->num_pfns < num;          vb->num_pfns += VIRTIO_BALLOON_PAGES_PER_PAGE) {         //从gust空间申请一个页面，并且加入到vb_dev_info->pages链表中         //并标记page的mapcount和设定private标志。这样可以让page不会被kernel继续使用         struct page *page = balloon_page_enqueue(vb_dev_info);           if (!page) {             dev_info_ratelimited(&vb->vdev->dev,                          "Out of puff! Can't get %u pages\n",                          VIRTIO_BALLOON_PAGES_PER_PAGE);             vb->alloc_page_tried++;             /* Sleep for at least 1/5 of a second before retry. */             msleep(200);             break;         }         //清零页面申请失败计数         vb->alloc_page_tried = 0;         //填充vb->pfns数组对应项（不太清楚作用，需再分析）         set_page_pfns(vb, vb->pfns + vb->num_pfns, page);         //num_pages为通知QEMU侧申请到的页面数量         vb->num_pages += VIRTIO_BALLOON_PAGES_PER_PAGE;         if (!virtio_has_feature(vb->vdev,                     VIRTIO_BALLOON_F_DEFLATE_ON_OOM))             adjust_managed_page_count(page, -1);     }       /* Did we get any? */     if (vb->num_pfns != 0)         //通过ivq队列将申请到的页面信息发送给qemu         tell_host(vb, vb->inflate_vq);     mutex_unlock(&vb->balloon_lock); }

         基本流程可以总结为：从gust空间申请页面放入balloon的链表中，并做标记使该内存内核不可用，填充设备的pfn数组，然后通过ivq通知设备侧进行处理。

    2.4 leak_balloon过程

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static unsigned leak_balloon(struct virtio_balloon *vb, size_t num) {     unsigned num_freed_pages;     struct page *page;     struct balloon_dev_info *vb_dev_info = &vb->vb_dev_info;       /* We can only do one array worth at a time. */     num = min(num, ARRAY_SIZE(vb->pfns));       mutex_lock(&vb->balloon_lock);     /* We can't release more pages than taken */     num = min(num, (size_t)vb->num_pages);     for (vb->num_pfns = 0; vb->num_pfns < num;          vb->num_pfns += VIRTIO_BALLOON_PAGES_PER_PAGE) {         //将申请到balloon的页面释放出来         page = balloon_page_dequeue(vb_dev_info);         if (!page)             break;         //设置pfn数组         set_page_pfns(vb, vb->pfns + vb->num_pfns, page);         vb->num_pages -= VIRTIO_BALLOON_PAGES_PER_PAGE;     }       num_freed_pages = vb->num_pfns;     /*      * Note that if      * virtio_has_feature(vdev, VIRTIO_BALLOON_F_MUST_TELL_HOST);      * is true, we *have* to do it in this order      */     if (vb->num_pfns != 0)         //使用dvq通知qemu进行处理         tell_host(vb, vb->deflate_vq);     release_pages_balloon(vb);     mutex_unlock(&vb->balloon_lock);     return num_freed_pages; }

        leak_balloon的过程和fill_balloon刚好相反，它会释放存放在balloon的page链表中的page项归还给gust，同理，这部分 内存会被qemu从host申请回来留给gustos备用，此时host主机的可用内存就减少了。