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3.1. CPU虚拟化之基本原理

分类: 文章 • 2025-01-05 09:49:28

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1. VT-x 技术

Intel处理器支持的虚拟化技术即是VT-x，之所以CPU支持硬件虚拟化是因为软件虚拟化的效率太低。

kvm分3个模式，对应到VT-x中即是

  1. 客户模式对应vmx非root模式
  2. 内核模式对应VMX root模式下的0特权级
  3. 用户模式对应vmx root模式下的3特权级

3.1. CPU虚拟化之基本原理

在非根模式下敏感指令引发的陷入称为VM-Exit，VM-Exit发生后，CPU从非根模式切换到根模式；对应的，VM-Entry则是从根模式到非根模式，通常意味着调用VM进入运行态。VMLAUCH/VMRESUME命令则是用来发起VM-Entry。

  1. VMM完成vCPU，内存的初始化后，通过ioctl调用KVM的接口，完成虚拟机的创建，并创建一个线程来运行VM，由于VM在前期初始化的时候会设置各种寄存器来帮助KVM查找到需要加载的指令的入口（main函数）。所以线程在调用了KVM接口后，物理CPU的控制权就交给了VM。

  2. VM运行在VMX non-root模式，这是Intel-V或者AMD-V提供的一种特殊的CPU执行模式。然后当VM执行了特殊指令的时候，CPU将当前VM的上下文保存到VMCS寄存器（这个寄存器是一个指针，保存了实际的上下文地址），然后执行权切换到VMM。

  3. VMM 获取 VM 返回原因，并做处理。如果是IO请求，VMM 可以直接读取VM的内存并将IO操作模拟出来，然后再调用VMRESUME指令，VM继续执行，此时在VM看来，IO操作的指令被CPU执行了。

2. VMM 与 guest的切换

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Guest与VMM之间的切换分两个部分：VM entry 和 VM exit。有几种情况会导致VM exit，比如说Guest执行了硬件访问操作，或者Guest调用了VMCALL指令或者调用了退出指令或者产生了一个page fault，或者访问了特殊设备的寄存器等。当Guest处于VMX模式的时候，没有提供获取是否处于此模式下的指令或者寄存器，也就是说，Guest不能判断当前CPU是否处于VMX模式。

当产生VM exit的时候，CPU会将exit reason保存到MSRs（VMX模式的特殊寄存器组），对应到KVM就是vCPU->kvm_run->exit_reason。VMM根据exit_reason做相应的处理。

3. VMM 的生命周期

如上图所示，VMM 开始于 VMXON 指令，结束与 VMXOFF 指令。

第一次启动Guest，通过 VMLAUNCH 指令加载Guest，这时候一切都是新的，比如说起始的rip寄存器等。后续Guest exit后再entry，是通过 VMRESUME 指令，此指令会将VMCS(后面会介绍到）所指向的内容加载到当前Guest的上下文，以便Guest继续执行。

4. VMCS(Virtual-Machine control structure)

顾名思义，VMCS就是虚拟机控制结构，前面提到过很多次，Guest Exit的时候，会将当前Guest的上下文保存到VMCS中，Guest entry的时候把VMCS上下文恢复到VMM。VMCS是一个64位的指针，指向一个真实的内存地址，VMCS是以vCPU为单位的，就是说当前有多少个vCPU，就有多少个VMCS指针。VMCS的操作包括VMREAD，VMWRITE，VMCLEAR。

VMCS保存虚拟机的相关CPU状态，每个VCPU都有一个VMCS（内存的），每个物理CPU都有VMCS对应的寄存器（物理的）.

  • 当CPU发生VM-Entry时，CPU则从VCPU指定的内存中读取VMCS加载到物理CPU上执行;
  • 当发生VM-Exit时，CPU则将当前的CPU状态保存到VCPU指定的内存中，即VMCS，以备下次VMRESUME。

VMLAUCH指VM的第一次VM-Entry，VMRESUME则是VMLAUCH之后后续的VM-Entry。

VMCS下有一些控制域：

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关于具体控制域的细节，还是翻Intel手册吧。

5. VM-Entry

VM-Entry是从根模式切换到非根模式，即VMM切换到guest上，这个状态由VMM发起，发起之前先保存VMM中的关键寄存器内容到VMCS中，然后进入到VM-Entry，VM-Entry附带参数主要有3个：

  1. guest是否处于64bit模式，
  2. MSR VM-Entry控制，
  3. 注入事件。

1应该只在VMLAUCH有意义，3更多是在VMRESUME，而VMM发起VM-Entry更多是因为3，2主要用来每次更新MSR。

第一次启动Guest，通过VMLAUNCH指令加载Guest，这时候一切都是新的，比如说起始的rip寄存器等。 后续Guest exit后再entry，是通过VMRESUME指令，此指令会将VMCS所指向的内容加载到当前Guest的上下文， 以便Guest继续执行。

6. VM-Exit

VM-Exit是CPU从非根模式切换到根模式，从guest切换到VMM的操作，VM-Exit触发的原因就很多了，执行敏感指令，发生中断，模拟特权资源等。

运行在非根模式下的敏感指令一般分为3个方面：

  1. 行为没有变化的，也就是说该指令能够正确执行。

  2. 行为有变化的，直接产生VM-Exit。

  3. 行为有变化的，但是是否产生VM-Exit受到VM-Execution控制域控制。

主要说一下"受到VM-Execution控制域控制"的敏感指令，这个就是针对性的硬件优化了，一般是

  1. 产生VM-Exit；
  2. 不产生VM-Exit，同时调用优化函数完成功能。

典型的有“RDTSC指令”。除了大部分是优化性能的，还有一小部分是直接VM-Exit执行指令结果是异常的，或者说在虚拟化场景下是不适用的，典型的就是TSC offset了。

VM-Exit发生时退出的相关信息，如退出原因、触发中断等，这些内容保存在VM-Exit信息域中。

7. 参考

http://oenhan.com/kvm-src-3-cpu

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