深入分析Linux虚拟化KVM-Qemu之ioeventfd与irqfd

2023-02-28 20:52 作者:补给站Linux内核 0人读过 | 我要投稿

说明：

KVM版本：5.9.1
QEMU版本：5.0.0
工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

图中的各个模块，只剩下通知机制没讲了，本文来一篇终结者；

Guest与KVM及Qemu之间的通知机制，如下图：

irqfd：提供一种机制，可以通过文件描述fd来向Guest注入中断，路径为紫色线条所示；
ioeventfd：提供一种机制，可以通过文件描述符fd来接收Guest的信号，路径为红色线条所示；
eventfd和irqfd这两种机制，都是基于eventfd来实现的；

本文会先介绍eventfd机制，然后再分别从Qemu/KVM来介绍ioeventfd和irqfd，开始吧。

2. eventfd

说来很巧，我曾经在工作中实现过一个类似eventfd机制的内核模块，用于多线程之间的轻量级通知，算是重复造轮子了。

eventfd的机制比较简单，大体框架如下图：

内核中创建了一个struct eventfd_ctx结构体，该结构体中维护一个count计数，以及一个等待队列头；
线程/进程在读eventfd时，如果count值等于0时，将当前任务添加到等待队列中，并进行调度，让出CPU。读过程count值会进行减操作；
线程/进程在写eventfd时，如果count值超过最大值时，会将当前任务添加到等待队列中（特殊情况），写过程count值会进行加操作，并唤醒在等待队列上的任务；
内核的其他模块也可以通过eventfd_signal接口，将count值加操作，并唤醒在等待队列上的任务；

代码实现如下图：

eventfd机制对用户层提供的系统调用接口包括eventfd()，write()，read()，select/poll等；
通过eventfd来创建文件描述符，从代码中可以看出，该接口的实现为do_eventfd，完成的工作包括：

1）在内核中分配struct eventfd_ctx结构体来维护上下文；

2）初始化等待队列头用于存放睡眠等待的任务；

3）分配未使用的文件描述符fd，创建file实例（该实例会绑定操作函数集），将文件描述符fd与file实例建立连接等；

最终系统调用read/write时，便会分别调用到eventfd_read/eventfd_write函数：

eventfd_read：如果count值为0，将自身添加到等待队列中，设置任务的状态后调用schedule让出CPU，等待被唤醒。读操作中会对count值进行减操作，最后再判断等待队列中是否有任务，有则进行唤醒；
eventfd_write：判断count值在增加ucnt后是否会越界，越界则将自身添加到等待队列中，设置任务的状态后调用schedule让出CPU，等待被唤醒。写操作会对count值进行加操作，最后再判断等待队列中是否有任务，有则进行唤醒；
此外，还有eventfd_signal接口，比较简单，完成的工作就是对count值进行加操作，并唤醒等待任务；

基石讲完了，我们来看看基于之上的ioeventfd和irqfd。

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3. ioeventfd

3.1 Qemu侧

以PCI设备为例：

Qemu中模拟PCI设备时，在初始化过程中会调用memory_region_init_io来进行IO内存空间初始化，这个过程中会绑定内存区域的回调函数集，当Guest OS访问这个IO区域时，可能触发这些回调函数的调用；
Guest OS中的Virtio驱动配置完成后会将状态位置上VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK，此时Qemu中的操作函数调用virtio_pci_common_write，并按图中的调用流逐级往下；
event_notifier_init：完成eventfd的创建工作，它实际上就是调用系统调用eventfd()的接口，得到对应的文件描述符；
memory_region_add_eventfd：为内存区域添加eventfd，将eventfd和对应的内存区域关联起来；

看一下memory_region_add_eventfd的流程：

内存区域MemoryRegion中的ioeventfds成员按照地址从小到大排序，memory_region_add_eventfd函数会选择合适的位置将ioeventfds插入，并提交更新；
提交更新过程中最终触发回调函数kvm_mem_ioeventfd_add的执行，这个函数指针的初始化是在Qemu进行kvm_init时，针对不同类型的内存区域注册了对应的memory_listener用于监听变化；
kvm_vm_ioctl：向KVM注册ioeventfd；

Qemu中完成了初始化后，任务就转移到了KVM中。

3.2 KVM侧

KVM中的ioeventfd注册如下：

KVM中注册ioeventfd的核心函数为kvm_assign_ioeventfd_idx，该函数中主要工作包括：

1）根据用户空间传递过来的fd获取到内核中对应的struct eventfd_ctx结构体上下文；2）使用ioeventfd_ops操作函数集来初始化IO设备操作；3）向KVM注册IO总线，比如KVM_MMIO_BUS，注册了一段IO地址区域，当操作这段区域的时候出发对应的操作函数回调；

当Guest OS中进行IO操作时，触发VM异常退出，KVM进行捕获处理，最终调用注册的ioevnetfd_write，在该函数中调用eventfd_signal唤醒阻塞在eventfd上的任务，Qemu和KVM完成了闭环；

总体效果如下图：

4. irqfd

Qemu和KVM中的流程如下图：

Qemu中通过kvm_irqchip_assign_irqfd向KVM申请注册irqfd；
在KVM中，内核通过维护struct kvm_kernel_irqfd结构体来管理整个irqfd的流程；
kvm_irqfd_assign：

1）分配struct kvm_kernel_irqfd结构体，并进行各个字段的初始化；2）初始化工作队列任务，设置成irqfd_inject，用于向Guest OS注入虚拟中断；3）初始化等待队列的唤醒函数，设置成irqfd_wakeup，当任务被唤醒时执行，在该函数中会去调度工作任务irqfd_inject；4）初始化pll_table pt字段的处理函数，设置成irqfd_ptable_queue_proc，该函数实际是调用add_wait_queue将任务添加至eventfd的等待队列中，这个过程是在vfs_poll中完成的；

当Qemu通过irqfd机制发送信号时，将唤醒睡眠在eventfd上的任务，唤醒后执行irqfd_wakeup函数，在该函数中调度任务，调用irqfd_inject来注入中断；