virtio
virtio是一個通用的io虛擬化框架，hypervisor通過他模擬出一系列的虛擬化設備，並使得這些設備在虛擬機內部通過api調用的方式變得可用。它爲客戶機提供了一個高效訪問塊設備的方法。它包含4個部分：前端驅動、後端驅動、vring及通信間統一的接口。與其他的模擬io方式對比，virtio減少了虛擬機的退出和數據拷貝，能夠極大地提高IO性能。計算機中存在不同的總線標準，而virtio採用的是pci總線（當然也可以用其他總線來實現）。每一個virtio設備就是一個pci設備。
virtio-blk的後端初始化
virtio-blk代碼包保存在hw/virtio-pci.c和hw/virtio-blk.c中，通過如下函數對virtio_blk進行初始化。主要的初始化函數是virtio_blk_init_pci。這裏定義了設備的信息。
static void virtio_blk_class_init(ObjectClass *klass, void *data)
{
DeviceClass *dc = DEVICE_CLASS(klass);
PCIDeviceClass *k = PCI_DEVICE_CLASS(klass);
k->init = virtio_blk_init_pci; //virtio-blk初始化函數
k->exit = virtio_blk_exit_pci;
k->vendor_id = PCI_VENDOR_ID_REDHAT_QUMRANET; //設備廠商號，所有的virtio設備都爲0x1af4
k->device_id = PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_BLOCK; //設備號
k->revision = VIRTIO_PCI_ABI_VERSION; //virtio ABI版本號
k->class_id = PCI_CLASS_STORAGE_SCSI;
dc->reset = virtio_pci_reset;
dc->props = virtio_blk_properties; //virtio-blk設備所支持的特徵
}
static TypeInfo virtio_blk_info = {
.name = "virtio-blk-pci",
.parent = TYPE_PCI_DEVICE,
.instance_size = sizeof(VirtIOPCIProxy),
.class_init = virtio_blk_class_init, //virtio-blk設備類型初始化函數
};virtio_blk後端數據結構如下
PCIDevice：表示一個pci設備
VirtIODevice：表示一個virtio設備
VirtIOBlock：表示一個virtio塊設備
VirtIOBingdings：通用配置和處理函數集合
VirtIOPCIProxy：一個框架，獎virtio設備和pci設備關聯起來
virtio-blk的前端初始化
virtio-blk首先是一個pci設備，初始化主要分兩個階段：pci設備初始化和設備初始化
以下是它初始化的幾個階段：
PCI設備探測和初始化
虛擬機啓動時，bios和系統會掃描pci總線，看看上面有沒有掛載的pci設備。如果有，則會創建一個pci_dev結構。一個pci設備用一個pci_dev數據結構表示，創建之後會用pci設備配置空間信息來填充pci_dev，然後調用device_register來將其註冊到pci總線上。PCI總線的match和probe函數根據pci_dev數據結構中的Vendor ID和Device ID將設備與註冊在PCI總線上的驅動進行匹配，進而匹配到了所有virtio設備所共用的PCI驅動virtio_pci_driver。
static struct pci_device_id virtio_pci_id_table[] = {
{ 0x1af4, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, 0 },
{ 0 },
}; // PCI_ANY_ID表示匹配任何設備ID
static struct pci_driver virtio_pci_driver = {
.name = "virtio-pci", //驅動名稱
.id_table = virtio_pci_id_table, //驅動所支持的設備ID信息
.probe = virtio_pci_probe,//探測函數(負責PCI設備初始化和進一步的virtio設備探測)
.remove = virtio_pci_remove,//設備移除時的處理函數
#ifdef CONFIG_PM
.driver.pm = &virtio_pci_pm_ops, //電源管理函數
#endif
};virtio設備的探測和初始化
virtio_pci_driver是該階段的關鍵函數，具體流程如下
通信區域初始化
虛擬機與物理機的通信通過vring來實現數據交互，這之間存在一種io的通信機制。
主機通知客戶機是通過注入中斷來實現，虛擬設備連在模擬的中斷控制器上，有自己的中斷線信息，PCI設備的中斷信息會被寫入該設備的配置空間
客戶機通知主機是通過virtio讀寫內存來實現的。
上面第二條分有兩類：MMIO和PIO。MMIO是通過mmap()像寫內存一樣讀寫虛擬設備，比如內存。PIO（就是通常意義上的io端口）通過hypervisor捕獲設備io來實現虛擬化。兩者的區別是：MMIO是通過內存的異常來進行，PIO則是通過io動作的捕獲。
virtio工作流程
前端驅動讀取io請求放入vring
前端通過notify通知機制通知後端驅動處理io
notify操作使vcpu執行線程退出到qemu應用層，其從vring中獲取客戶機io請求信息，將請求線程放入aio線程池，然後vcpu線程的處理流程重新返回到客戶機
aio線程處理完成後，通知主線程，並向客戶機注入中斷說明其已完成io操作
客戶機相應中斷，並獲取io請求結果和處理信息，接着繼續向上層返回結果
客戶機io請求流程
1、讀寫操作通過系統調用進入到操作系統內核層，首先到達VFS層
2、VFS層繼續向下層傳遞請求，如果頁高速緩存命中，而文件又不是直接讀寫，則IO請求在頁高速緩存得到處理
3、如果沒有頁高速緩存或者頁高速緩存MISS，則進入到Mapping Layer（映射層），在這一層主要是根據文件系統信息，解決文件偏移量與塊設備中的的邏輯塊號的映射，並根據映射將請求下發到Generic Block Layer（通用塊層）
4、在通用塊層，IO讀寫請求由struct bio表示，通用塊層繼續將請求下發到IO Scheduler Layer（IO調度層）
5、在IO調度層，上層傳遞下來的bio將根據類型、以及邏輯塊是否靠近等因素進行調度，最終形成一個req（struct request類型），req將被鏈接到設備的request_queue中
6、IO調度層繼續將請求下發，請求到達了塊設備驅動，塊設備驅動從request_queue中取下一個個請求進行處理。