QEMU-KVM内核虚拟化概述

本文翻译自https://www.linux-kvm.org/page/Memory
主要内容为qemu/kvm的内存虚拟化的架构描述（的梗概）。

这是官网十年前的一篇文章，细节大家不要细扣，大概了解内存虚拟化和EPT的相关架构就行。

guest修改页表对host的影响

由于Linux内核的layz-mode得到策略, qemu/kvm会为guest分配虚拟内存空间,但直到访问时,才真正分配物理空间。
以前（指使用shadow page table时）,每当guest修改页表, 必然会影响host. host会确认2点:

guest放到页表中的entry是有效的
entry没有访问不被允许访问的memory

为什么会影响host呢? 有2方面的机制影响.

虚拟化硬件使用的页表集和guest使用的页表是分离的.首先guest在自己的页表上做了修改,然后host发现了这个修改,确认该修改并在硬件访问的真实页表中做修改.guest不能直接访问和操作真实页表.这就是SPT(shadow page table).
VMX/AMD-v扩展允许当guest尝试设置指向base page table(CR3)的指针时, 就trap(发生异常).

shadow page table机制的缺点

SPT机制下,缺点在于:

每次访问页表都必须经历guest+host都访问的过程
guest访问一次,host可能要访问25次,成本极高
确认和维护SPT成本非常高

EPT/NPT的引入

AMD和Intel提出了EPT/NPT来解决这些问题(SPT的缺点). EPT/NPT在硬件层面提供了一系列结构,能够直接将GPA转化成HPA,而不用经历每次访问页表都必须guest+host访问的过程.

问题在于, 如果host把我们使用的page table 交换出去了,我们必须更新EPT/NPT里面的结构.

解决办法是Linux称为mmu_notifier的东西. 在kernel释放或交换出去这些内存之前,kvm/qemu guest会收到host的意图通知. kvm/qemu guest会将即将被host使用的page从SPT或EPT结构中移除, 在guest做完移除工作之后, host就可以对这些page做它想做的操作了.

Fault-in path（产生page fault的处理路径）

QEMU调用malloc()并且为该page分配虚拟地址空间,但是没有对应的物理空间.(也就是就分配了个名头)
guest访问了它认为是一个物理地址的东西, 但是因为没有分配对应的物理空间, traps into host了
host kernel看到了一个page fault, 对之前malloc()的区域调用do_page_fault()处理这个page fault,如果没什么问题,就分配一些memory给到该区域.
host kernel 创建了pte_t来连接malloc()好的虚拟地址和分配的物理地址, 在pte_t中创建rmap entry, 把pte_t放到LRU等
mmu_notifier和change_pte()被调用,允许kvm为新的page创建一个EPT entry
完成处理page fault, VMRESUME, guest继续运行

Swap-out path(当host 内存不够用时)

如果host面临memory压力,会发生什么情况呢?
上面提到的,之前分配给guest的物理page发现自己已经上了待退休名单, kernel决定该page下岗,接下来会发生:

host kernel使用rmap结构找出该物理page被映射到哪个VMA(vm_area_struct)中去了
host kernel先寻找与该VMA关联的mm_struct,然后再遍历Linux page tables,寻找该page的host hardware page table entry(pte_t).
host kernel 将该page交换出去,并清除了pte_t, 但是,在释放该page之前:
1. host kernle 调用了mmu_notifier invalidate_page(). 这俩东西寻找EPT结构中的该page的entry，然后移除掉.
下次访问该page时,就会到fault-in path中去.

逻辑链

某个时刻guest访问某物理地址（它认为的） ==》 Page Fault ==》 trap into host ==》为产生page fault的地址分配实际空间(Fault-in path) ==》回到guest继续运行... 运行了一段时间 ==》 host的内存不够用了，要收回之前分配给guest的内存 ==》给guest一个意图通知 ==》 guest会意，将EPT中的映射删除 ==》 host收回之前分配的物理空间 ==> 某个时刻guest访问某物理地址（它认为的）

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本文作者：EwanHai
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