【原創】Linux虛擬化KVM-Qemu分析（五）之內存虛擬化

背景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

1. KVM版本：5.9.1
2. QEMU版本：5.0.0
3. 工具：Source Insight 3.5， Visio
4. 文章同步在博客園：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

1. 概述

《Linux虛擬化KVM-Qemu分析（二）之ARMv8虛擬化》文中描述過內存虛擬化大體框架，再來回顧一下：

1. 非虛擬化下的內存的訪問

• CPU訪問物理內存前，需要先建立頁表映射（虛擬地址到物理地址的映射），最終通過查表的方式來完成訪問。在ARMv8中，內核頁表基地址存放在TTBR1_EL1中，用戶空間頁表基地址存放在TTBR0_EL0中；

2. 虛擬化下的內存訪問

• 虛擬化情況下，內存的訪問會分爲兩個Stage，Hypervisor通過Stage 2來控制虛擬機的內存視圖，控制虛擬機是否可以訪問某塊物理內存，進而達到隔離的目的；
• Stage 1：VA(Virtual Address)->IPA(Intermediate Physical Address)，Host的操作系統控制Stage 1的轉換；
• Stage 2：IPA(Intermediate Physical Address)->PA(Physical Address)，Hypervisor控制Stage 2的轉換；

猛一看上邊兩個圖，好像明白了啥，仔細一想，啥也不明白，本文的目標就是將這個過程講明白。

在開始細節講解之前，需要先描述幾個概念：

gva - guest virtual address
gpa - guest physical address
hva - host virtual address
hpa - host physical address

• Guest OS中的虛擬地址到物理地址的映射，就是典型的常規操作，參考之前的內存管理模塊系列文章；

鋪墊了這麼久，來到了本文的兩個主題：

1. GPA->HVA;
2. HVA->HPA;

開始吧！

2. GPA->HVA

還記得上一篇文章《Linux虛擬化KVM-Qemu分析（四）之CPU虛擬化（2）》中的Sample Code嗎？
KVM-Qemu方案中，GPA->HVA的轉換，是通過ioctl中的KVM_SET_USER_MEMORY_REGION命令來實現的，如下圖：

找到了入口，讓我們進一步揭開神祕的面紗。

2.1 數據結構

關鍵的數據結構如下：

• 虛擬機使用slot來組織物理內存，每個slot對應一個struct kvm_memory_slot，一個虛擬機的所有slot構成了它的物理地址空間；
• 用戶態使用struct kvm_userspace_memory_region來設置內存slot，在內核中使用struct kvm_memslots結構來將kvm_memory_slot組織起來；
• struct kvm_userspace_memory_region結構體中，包含了slot的ID號用於查找對應的slot，此外還包含了物理內存起始地址及大小，以及HVA地址，HVA地址是在用戶進程地址空間中分配的，也就是Qemu進程地址空間中的一段區域；

2.2 流程分析

數據結構部分已經羅列了大體的關係，那麼在KVM_SET_USER_MEMORY_REGION時，圍繞的操作就是slots的創建、刪除，更新等操作，話不多說，來圖了：

• 當用戶要設置內存區域時，最終會調用到__kvm_set_memory_region函數，在該函數中完成所有的邏輯處理；
• __kvm_set_memory_region函數，首先會對傳入的struct kvm_userspace_memory_region的各個字段進行合法性檢測判斷，主要是包括了地址的對齊，範圍的檢測等；
• 根據用戶傳遞的slot索引號，去查找虛擬機中對應的slot，查找的結果只有兩種：1）找到一個現有的slot；2）找不到則新建一個slot；
• 如果傳入的參數中memory_size爲0，那麼會將對應slot進行刪除操作；
• 根據用戶傳入的參數，設置slot的處理方式：KVM_MR_CREATE，KVM_MR_MOVE，KVM_MEM_READONLY；
• 根據用戶傳遞的參數決定是否需要分配髒頁的bitmap，標識頁是否可用；
• 最終調用kvm_set_memslot來設置和更新slot信息；

2.2.1 kvm_set_memslot

具體的memslot的設置在kvm_set_memslot函數中完成，slot的操作流程如下：

• 首先分配一個新的memslots，並將原來的memslots內容複製到新的memslots中；
• 如果針對slot的操作是刪除或者移動，首先根據舊的slot id號從memslots中找到原來的slot，將該slot設置成不可用狀態，再將memslots安裝回去。這個安裝的意思，就是RCU的assignment操作，不理解這個的，建議去看看之前的RCU系列文章。由於slot不可用了，需要解除stage2的映射；
• kvm_arch_prepare_memory_region函數，用於處理新的slot可能跨越多個用戶進程VMA區域的問題，如果爲設備區域，還需要將該區域映射到Guest IPA中；
• update_memslots用於更新整個memslots，memslots基於PFN來進行排序的，添加、刪除、移動等操作都是基於這個條件。由於都是有序的，因此可以選擇二分法來進行查找操作；
• 將添加新的slot後的memslots安裝回KVM中；
• kvfree用於將原來的memslots釋放掉；

2.2.2 kvm_delete_memslot

kvm_delete_memslot函數，實際就是調用的kvm_set_memslot函數，只是slot的操作設置成KVM_MR_DELETE而已，不再贅述。

3. HVA->HPA

光有了GPA->HVA，似乎還是跟Hypervisor沒有太大關係，到底是怎麼去訪問物理內存的呢？貌似也沒有看到去建立頁表映射啊？
跟我走吧，帶着問題出發！

之前內存管理相關文章中提到過，用戶態程序中分配虛擬地址vma後，實際與物理內存的映射是在page fault時進行的。那麼同樣的道理，我們可以順着這個思路去查找是否HVA->HPA的映射也是在異常處理的過程中創建的？答案是顯然的。

回顧一下前文《Linux虛擬化KVM-Qemu分析（四）之CPU虛擬化（2）》的一張圖片：

• 當用戶態觸發kvm_arch_vcpu_ioctl_run時，會讓Guest OS去跑在Hypervisor上，當Guest OS中出現異常退出到Host時，此時handle_exit將對退出的原因進行處理；

異常處理函數arm_exit_handlers如下，具體調用選擇哪個處理函數，是根據ESR_EL2, Exception Syndrome Register(EL2)中的值來確定的。

static exit_handle_fn arm_exit_handlers[] = {
	[0 ... ESR_ELx_EC_MAX]	= kvm_handle_unknown_ec,
	[ESR_ELx_EC_WFx]	= kvm_handle_wfx,
	[ESR_ELx_EC_CP15_32]	= kvm_handle_cp15_32,
	[ESR_ELx_EC_CP15_64]	= kvm_handle_cp15_64,
	[ESR_ELx_EC_CP14_MR]	= kvm_handle_cp14_32,
	[ESR_ELx_EC_CP14_LS]	= kvm_handle_cp14_load_store,
	[ESR_ELx_EC_CP14_64]	= kvm_handle_cp14_64,
	[ESR_ELx_EC_HVC32]	= handle_hvc,
	[ESR_ELx_EC_SMC32]	= handle_smc,
	[ESR_ELx_EC_HVC64]	= handle_hvc,
	[ESR_ELx_EC_SMC64]	= handle_smc,
	[ESR_ELx_EC_SYS64]	= kvm_handle_sys_reg,
	[ESR_ELx_EC_SVE]	= handle_sve,
	[ESR_ELx_EC_IABT_LOW]	= kvm_handle_guest_abort,
	[ESR_ELx_EC_DABT_LOW]	= kvm_handle_guest_abort,
	[ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW]= kvm_handle_guest_debug,
	[ESR_ELx_EC_WATCHPT_LOW]= kvm_handle_guest_debug,
	[ESR_ELx_EC_BREAKPT_LOW]= kvm_handle_guest_debug,
	[ESR_ELx_EC_BKPT32]	= kvm_handle_guest_debug,
	[ESR_ELx_EC_BRK64]	= kvm_handle_guest_debug,
	[ESR_ELx_EC_FP_ASIMD]	= handle_no_fpsimd,
	[ESR_ELx_EC_PAC]	= kvm_handle_ptrauth,
};

用你那雙水汪汪的大眼睛掃描一下這個函數表，發現ESR_ELx_EC_DABT_LOW和ESR_ELx_EC_IABT_LOW兩個異常，這不就是指令異常和數據異常嗎，我們大膽的猜測，HVA->HPA映射的建立就在kvm_handle_guest_abort函數中。

3.1 kvm_handle_guest_abort

先來補充點知識點，可以更方便的理解接下里的內容：

1. Guest OS在執行到敏感指令時，產生EL2異常，CPU切換模式並跳轉到EL2的el1_sync（arch/arm64/kvm/hyp/entry-hyp.S）異常入口；
2. CPU的ESR_EL2寄存器記錄了異常產生的原因；
3. Guest退出到kvm後，kvm根據異常產生的原因進行對應的處理。

簡要看一下ESR_EL2寄存器：

• EC：Exception class，異常類，用於標識異常的原因；
• ISS：Instruction Specific Syndrome，ISS域定義了更詳細的異常細節；
• 在kvm_handle_guest_abort函數中，多處需要對異常進行判斷處理；

kvm_handle_guest_abort函數，處理地址訪問異常，可以分爲兩類：

1. 常規內存訪問異常，包括未建立頁表映射、讀寫權限等；
2. IO內存訪問異常，IO的模擬通常需要Qemu來進行模擬；

先看一下kvm_handle_guest_abort函數的註釋吧：

/**
 * kvm_handle_guest_abort - handles all 2nd stage aborts
 *
 * Any abort that gets to the host is almost guaranteed to be caused by a
 * missing second stage translation table entry, which can mean that either the
 * guest simply needs more memory and we must allocate an appropriate page or it
 * can mean that the guest tried to access I/O memory, which is emulated by user
 * space. The distinction is based on the IPA causing the fault and whether this
 * memory region has been registered as standard RAM by user space.
 */

• 到達Host的abort都是由於缺乏Stage 2頁錶轉換條目導致的，這個可能是Guest需要分配更多內存而必須爲其分配內存頁，或者也可能是Guest嘗試去訪問IO空間，IO操作由用戶空間來模擬的。兩者的區別是觸發異常的IPA地址是否已經在用戶空間中註冊爲標準的RAM；

調用流程來了：

• kvm_vcpu_trap_get_fault_type用於獲取ESR_EL2的數據異常和指令異常的fault status code，也就是ESR_EL2的ISS域；
• kvm_vcpu_get_fault_ipa用於獲取觸發異常的IPA地址；
• kvm_vcpu_trap_is_iabt用於獲取異常類，也就是ESR_EL2的EC，並且判斷是否爲ESR_ELx_IABT_LOW，也就是指令異常類型；
• kvm_vcpu_dabt_isextabt用於判斷是否爲同步外部異常，同步外部異常的情況下，如果支持RAS，Host能處理該異常，不需要將異常注入給Guest；
• 異常如果不是FSC_FAULT，FSC_PERM，FSC_ACCESS三種類型的話，直接返回錯誤；
• gfn_to_memslot，gfn_to_hva_memslot_prot這兩個函數，是根據IPA去獲取到對應的memslot和HVA地址，這個地方就對應到了上文中第二章節中地址關係的建立了，由於建立了連接關係，便可以通過IPA去找到對應的HVA；
• 如果註冊了RAM，能獲取到正確的HVA，如果是IO內存訪問，那麼HVA將會被設置成KVM_HVA_ERR_BAD。kvm_is_error_hva或者(write_fault && !writable)代表兩種錯誤：1）指令錯誤，向Guest注入指令異常；2）IO訪問錯誤，IO訪問又存在兩種情況：2.1）Cache維護指令，則直接跳過該指令；2.2）正常的IO操作指令，調用io_mem_abort進行IO模擬操作；
• handle_access_fault用於處理訪問權限問題，如果內存頁無法訪問，則對其權限進行更新；
• user_mem_abort，用於分配更多的內存，實際上就是完成Stage 2頁表映射的建立，根據異常的IPA地址，已經對應的HVA，建立映射，細節的地方就不表了。

來龍去脈摸清楚了，那就草草收場吧，下回見了。

參考

《Arm Architecture Registers Armv8, for Armv8-A architecture profile》

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