qemu-kvm的irqfd机制

irqfd机制与ioeventfd机制类似，其基本原理都是基于eventfd。

ioeventfd机制为Guest提供了向qemu-kvm发送通知的快捷通道，对应地，irqfd机制提供了qemu-kvm向Guest发送通知的快捷通道。

irqfd机制将一个eventfd与一个全局中断号联系起来，当向这个eventfd发送信号时，就会导致对应的中断注入到虚拟机中。

QEMU注册irqfd

与ioeventfd类似，irqfd在使用前必须先初始化一个EventNotifier对象(利用event_notifier_init函数初始化)，初始化EventNotifier对象完成之后获得了一个eventfd。

向kvm发送注册中断irqfd请求

获得一个eventfd之后，QEMU通过kvm_irqchip_add_irqfd_notifier_gsi=>kvm_irqchip_assign_irqfd构造kvm_irqchip结构，并向kvm发送ioctl(KVM_IRQFD).

static int kvm_irqchip_assign_irqfd(KVMState *s, int fd, int rfd, int virq,
                                    bool assign)
{
    struct kvm_irqfd irqfd = {
        .fd = fd,
        .gsi = virq,
        .flags = assign ? 0 : KVM_IRQFD_FLAG_DEASSIGN,
    };

    if (rfd != -1) {
        irqfd.flags |= KVM_IRQFD_FLAG_RESAMPLE;
        irqfd.resamplefd = rfd;
    }

    if (!kvm_irqfds_enabled()) {
        return -ENOSYS;
    }

    return kvm_vm_ioctl(s, KVM_IRQFD, &irqfd);
}

在kvm_irqchip_assign_irqfd中，首先构造了一个kvm_irqfd结构的变量irqfd，其中fd为之前初始化的eventfd，gsi是全局系统中断，flags中定义了是向kvm注册irqfd(flags==0)还是解除注册irqfd(KVM_IRQFD_FLAG_DEASSIGN,也就是flags==1)。flags的bit1(KVM_IRQFD_FLAG_RESAMPLE)表明该中断是否为电平触发。

KVM_IRQFD_FLAG_RESAMPLE相关信息

当中断处于沿触发模式时，irqfd->fd连接kvm中中断芯片(irqchip)的gsi管脚，也由irqfd->fd负责中断的toggle，以及对用户空间的handler的触发。

当中断处于电平触发模式时，同样irqfd->fd连接kvm中中断芯片的gsi管脚，当中断芯片收到一个EOI(end of interrupt)重采样信号时，gsi进行电平翻转，对用户空间的通知由irqfd->resample_fd完成(resample_fd也是一个eventfd)。

kvm_irqchip_assign_irqfd最后调用kvm_vm_ioctl(s, KVM_IRQFD, &irqfd)，向kvm请求注册包含上面构造的kvm_irqfd信息的irqfd。

kvm注册irqfd

收到ioctl(KVM_IRQFD)之后，kvm首先获取传入的数据结构kvm_irqfd的信息，然后调用kvm_irqfd函数。

	case KVM_IRQFD: {
		struct kvm_irqfd data;

		r = -EFAULT;
		if (copy_from_user(&data, argp, sizeof(data)))
			goto out;
		r = kvm_irqfd(kvm, &data);
		break;
	}

在kvm_irqfd中，首先分辨传入的kvm_irqfd结构中的flags的bit0要求的是进行irqfd注册还是解除irqfd的注册。如果是前者，则调用kvm_irqfd_assign。

kvm_irqfd(struct kvm *kvm, struct kvm_irqfd *args)
{
	if (args->flags & ~(KVM_IRQFD_FLAG_DEASSIGN | KVM_IRQFD_FLAG_RESAMPLE))
		return -EINVAL;

	if (args->flags & KVM_IRQFD_FLAG_DEASSIGN)
		return kvm_irqfd_deassign(kvm, args);

	return kvm_irqfd_assign(kvm, args);
}

kvm_irqfd_assign的分析中省略定义了CONFIG_HAVE_KVM_IRQ_BYPASS和水平中断的注册情况。这样分析便于理清irqfd的注册框架。

在kvm_irqfd_assign中，首先申请了一个kvm_kernel_irqfd结构类型的变量irqfd，并为之分配空间，之后对irqfd的各子域进行赋值。

irqfd = kzalloc(sizeof(*irqfd), GFP_KERNEL_ACCOUNT);
if (!irqfd)
    return -ENOMEM;

irqfd->kvm = kvm;
irqfd->gsi = args->gsi;
INIT_LIST_HEAD(&irqfd->list);
INIT_WORK(&irqfd->inject, irqfd_inject);
INIT_WORK(&irqfd->shutdown, irqfd_shutdown);
seqcount_init(&irqfd->irq_entry_sc);

kvm_kernel_irqfd结构中有2个work_struct，inject和shutdown，分别负责触发中断和关闭中断，这两个work_struct各自对应的操作函数分别为irqfd_inject和irqfd_shutdown。

kvm_irq_assign调用init_waitqueue_func_entry将irqfd_wakeup函数注册为irqfd中等待队列entry激活时的处理函数。这样任何写入该irqfd对应的eventfd的行为都将导致触发这个函数。

然后kvm_irq_assign利用init_poll_funcptr将irqfd_ptable_queue_proc函数注册为irqfd中的poll table的处理函数。irqfd_ptable_queue_proc会将poll table中对应的wait queue entry加入到waitqueue中去。

/*
	 * Install our own custom wake-up handling so we are notified via
	 * a callback whenever someone signals the underlying eventfd
	 */
init_waitqueue_func_entry(&irqfd->wait, irqfd_wakeup);
init_poll_funcptr(&irqfd->pt, irqfd_ptable_queue_proc);

kvm_irq_assign接着判断该eventfd是否已经被其它中断使用。

list_for_each_entry(tmp, &kvm->irqfds.items, list) {
    if (irqfd->eventfd != tmp->eventfd)
        continue;
    /* This fd is used for another irq already. */
    ret = -EBUSY;
    spin_unlock_irq(&kvm->irqfds.lock);
    goto fail;
}

kvm_irq_assign以irqfd->pt为参数，调用eventfd的poll函数，也就是eventfd_poll,后者会调用poll_wait函数，也就是之前为poll table注册的irqfd_ptable_queue_proc函数。irqfd_ptable_queue_proc将irqfd->wait加入到了eventfd的wqh等待队列中。这样，当有其它进程或者内核对eventfd进行write时，就会导致eventfd的wqh等待队列上的对象函数得到执行，也就是irqfd_wakeup函数。

这里只讨论有数据，即flgas中的EPOLLIN置位时，会调用kvm_arch_set_irq_inatomic进行中断注入。

kvm_arch_set_irq_inatomic
=> kvm_set_msi_irq
=> kvm_irq_delivery_to_apic_fast

如果kvm_arch_set_irq_inatomic无法注入中断(即非MSI中断或非HV_SINT中断)，那么就调用irqfd->inject,即调用irqfd_inject函数。

static void irqfd_inject(struct work_struct *work)
{
    struct kvm_kernel_irqfd *irqfd =
        container_of(work, struct kvm_kernel_irqfd, inject);
    struct kvm *kvm = irqfd->kvm;

    if (!irqfd->resampler) {
        kvm_set_irq(kvm, KVM_USERSPACE_IRQ_SOURCE_ID, irqfd->gsi, 1,
                    false);
        kvm_set_irq(kvm, KVM_USERSPACE_IRQ_SOURCE_ID, irqfd->gsi, 0,
                    false);
    } else
        kvm_set_irq(kvm, KVM_IRQFD_RESAMPLE_IRQ_SOURCE_ID,
                    irqfd->gsi, 1, false);
}

在irqfd_inject函数中，如果该irqfd配置的中断为边沿触发，则调用2次kvm_set_irq，形成一个中断脉冲，以便kvm中的中断芯片(irqchip)能够感知到这个中断。如果该irqfd配置的中断为电平触发，则调用一次kvm_set_irq，将中断拉至高电平，使irqchip感知到，电平触发的中断信号拉低动作会由后续的irqchip的EOI触发。

总结

irqfd基于eventfd机制，qemu中将一个gsi(全局系统中断号)与eventfd捆绑后，向kvm发送注册irqfd请求，kvm收到请求后将带有gsi信息的eventfd加入到与irqfd有关的等待队列中，一旦有进程向该eventfd写入，等待队列中的元素就会唤醒，并调用相应唤醒函数(irqfd_wakeup)向Guest注入中断，而注入中断这一步骤相关知识与特定的中断芯片如PIC、APIC有关。

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本文作者：EwanHai
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