x86架構CPU虛擬化
Gerald J. Popek和Robert P. Goldberg在1974年發表的論文“Formal Requirements for Virtualizable[A1] [A2] Third Generation Architectures”中提出了符合虛擬化的3個條件：
(1)等價性，即VMM需要在宿主機上為虛擬機模擬出一個本質上與物理機一致的環境。虛擬機在這個環境上運行與其在物理機上運行別無二致，除了可能因為資源競爭或者VMM的干預導致在虛擬環境中表現上略有差異，比如虛擬機的I/O、網絡等因宿主機的限速或者多個虛擬機共享資源，導致速度可能要比獨占物理機的慢一些。
(2)高效性，即虛擬機指令執行的性能與其在物理機上運行相比并無明顯損耗。該標準要求虛擬機中的絕大部分指令無須VMM干預而直接運行在物理CPU上，比如我們在x86架構上通過Qemu運行的ARM系統并不是虛擬化，而是仿真(Emulator)。
(3)資源控制，即VMM完全控制系統資源。由VMM控制協調宿主機資源給各個虛擬機，而不能由虛擬機控制了宿主機的資源。
陷入和模擬模型
為了滿足GeraldJ. Popek和Robert P. Goldberg提出的滿足虛擬化的3個條件，一個典型的解決方案是Trap andEmulate模型。
一般來說，處理器可以歸結為兩種運行模式：系統模式和用戶模式。相應的，CPU的指令也分為特權指令和非特權指令。特權指令只能在系統模式運行，如果特權指令運行在用戶模式就將觸發處理器異常。操作系統將內核運行在系統模式，因為內核需要管理系統資源，需要運行特權指令，而普通的用戶程序則運行在用戶模式。
在虛擬化場景下，虛擬機的用戶程序仍然運行在用戶模式，但是虛擬機的內核將運行在用戶模式，這種方式稱為Ring Compression。在這種方式下，虛擬機中的非特權指令直接運行在處理器上，滿足了Popek和Goldberg提出的虛擬化標準中高效的要求，即指令的大部分無須VMM干預直接在處理器上運行。但是，當虛擬機執行特權指令時，因為是在用戶模式執行特權指令，將觸發處理器異常，從而陷入到VMM中，由VMM代理虛擬機完成系統資源的訪問，即所謂的模擬(emulate)。如此，又滿足了Popek和Goldberg提出的虛擬化標準中VMM控制系統資源的要求，虛擬機將不會因為可以直接運行特權指令而修改宿主機的資源，從而破壞宿主機的環境。
x86架構虛擬化的障礙
Gerald J. Popek和Robert P. Goldberg指出，修改系統資源的，或者在不同模式下行為有不同表現的，都屬于敏感指令。在虛擬化場景下，VMM需要監測到這些敏感指令。一個支持虛擬化的體系架構的敏感指令都屬于特權指令，即在非特權級別執行這些敏感指令時，CPU會拋出異常，進入VMM的異常處理函數，從而實現了控制VM訪問敏感資源的目的。
但是，x86架構恰恰不能滿足Gerald J. Popek和Robert P. Goldberg定義的這個準則，且并不是所有的敏感指令都是特權指令，有些敏感指令在非特權模式下執行時并不會拋出異常，此時VMM就無法攔截或者處理VM的行為。以修改FLAGS寄存器中的IF(interrupt flag)為例，我們首先使用指令pushfd將寄存器FLAGS的內容壓到棧中，然后將棧頂的IF清0，最后使用popf指令從棧中恢復FLAGS寄存器。如果將虛擬機內核運行在ring 1，x86的CPU并不會拋出異常，而只是默默地忽略指令popfd，因此虛擬機關閉IF的目的并沒有生效。
有人提出半虛擬化的方式，即修改Guest的代碼，但是這不符合虛擬化的透明準則。后來，人們提出了二進制翻譯的方式，包括靜態翻譯和動態翻譯。靜態翻譯就是在運行前，掃描整個可執行文件，對敏感指令進行翻譯，重新形成一個新的文件。靜態翻譯是有其局限性的，必須提前處理，而且有些指令只有在運行時才產生的副作用，無法靜態處理。于是，動態翻譯應運而生，即在運行時以代碼塊為單元動態地修改二進制代碼。動態翻譯在很多VMM中得到應用，而且優化的效果非常不錯。
VMX擴展
雖然程序員們從軟件層面采用了多種方案去解決x86架構在虛擬化方面的問題，但是軟件層的解決方案除了額外的開銷外，也給VMM的實現帶來了巨大的復雜性。于是，Intel嘗試從硬件層面解決這個問題。Intel并沒有將那些非特權的敏感指令修改為特權指令，因為并不是所有的特權指令都需要Trap and Emulate。我們舉個典型的例子，每當操作系統內核切換進程時，都會切換cr3寄存器，使其指向當前運行進程的頁表。當使用影子頁表進行GVA到HPA的映射時，需要捕獲Guest的每一次設置cr3寄存器的操作，VMM模塊使其指向影子頁表。而當啟用了硬件層面的EPT支持后，cr3仍然指向Guest的進程頁表，無須捕捉Guest設置cr3寄存器的操作，也就是說，雖然寫cr3寄存器是特權指令，但是其不需要陷入VMM。
Intel開發了VT技術支持虛擬化，為CPU增加了Virtual-Machine Extensions，簡稱為VMX。一旦啟動了CPU的VMX支持，CPU將提供2種運行模式：VMX Root Mode和VMX non-Root Mode，每一種模式都支持ring0 ~ ring3。VMM運行在VMX RootMode，除了支持VMX外，VMX Root Mode和普通的模式并無本質區別。VM運行在VMX non-Root Mode，Guest無須再采用Ring Compression方式，Guest kernel可以直接運行在VMX non-Root Mode的ring0，如圖1所示。
圖1 VMX運行模式
處在VMX RootMode的VMM可以通過執行CPU提供的虛擬化指令VMLaunch切換到VMX non-Root Mode，因為這個過程相當于進入Guest[3] ，所以通常也被稱為VM entry。當Guest內部執行了敏感指令，比如某些I/O操作后，將觸發CPU發生陷入的動作，從VMX non-Root Mode切換回VMX Root Mode，這個過程相當于退出VM，所以也稱為VM exit。然后VMM將對Guest 的操作進行模擬。相比于Ring Compression方式，即將Guest的內核也運行在用戶模式(ring 1 ~ ring 3)的方式，支持VMX擴展的CPU[4] ：
(1)運行于Guest模式時，Guest用戶空間的系統調用直接陷入Guest模式的內核空間，而不是再陷入到Host模式的內核空間。
(2)對于外部中斷，因為需要讓VMM控制系統的資源，所以處于Guest模式的CPU收到外部中斷，則觸發CPU從Guest模式退出到Host模式，由Host內核處理外部中斷。處理完中斷后，再重新切入Guest模式。為了提高I/O效率，Intel支持外設透傳模式，在這種模式下，Guest可以不必產生VM exit，“設備虛擬化”一章將討論這種特殊方式。
(3)不再是所有的特權指令都會導致處于Guest模式的CPU發生VM exit，僅當運行敏感指令時才會導致CPU從Guest模式陷入Host模式，因為有的特權指令并不需要由VMM介入處理。
如同一個CPU可以分時運行多個任務一樣，每個任務有自己的上下文，由調度器在調度時切換上下文，從而實現同一個CPU同時運行多個任務。在VMX擴展下，同一個物理CPU“一人分飾多角”，分時運行著Host及Guest，在不同模式間按需切換，因此，不同模式也需要保存自己的上下文。為此，VMX設計了一個保存上下文的數據結構：VMCS。每一個Guest都有一個VMCS實例，當物理CPU加載了不同的VMCS時，將運行不同的Guest，，如圖2所示。
圖2 多個Guest切換
VMCS中主要保存著兩大類數據，一類是狀態，包括Host的和Guest的，另外一類是控制Guest運行時的行為。
(1)Guest-state area，保存虛擬機狀態的區域。當發生VM exit時，Guest的態保存在這個區域;當VM entry時，這些狀態將被裝載到CPU中。這些都是硬件層面的自動行為，VMM無須編碼干預。
(2)Host-state area，保存宿主機狀態的區域。當發生VM exit時，CPU自動從VMCS裝載這些狀態到物理CPU;當VM entry時，CPU自動將狀態保存到這個區域。
(3)VM-exit information fields。當虛擬機發生VM exit時，VMM需要知道導致VM exit的原因，然后才能對癥下藥，進行相應的模擬操作。為此，CPU會自動將Guest退出的原因保存在這個區域，供VMM使用。
(4)VM-execution control fields。這個區域中的各種字段控制著虛擬機運行時的一些行為，比如設置Guest運行時訪問cr3時是否觸發VM exit;控制VM entry與exit時的行為的VM-entry control fields和VM-exitcontrol fields。我們不再一一列出細節，讀者如有需要可以查閱Intel手冊。
在創建VCPU時，KVM模塊將為每個VCPU申請一個VMCS，每次CPU準備切入Guest模式時，將設置其VMCS指針指向即將切入的Guest對應的VMCS實例：
- commit 6aa8b732ca01c3d7a54e93f4d701b8aabbe60fb7
- [PATCH] kvm: userspace interface
- ?linux.git/drivers/kvm/vmx.c
- ?static struct kvm_vcpu *vmx_vcpu_load(structkvm_vcpu *vcpu)
- {
- u64phys_addr = __pa(vcpu->vmcs);
- int cpu;
- cpu =get_cpu();
- …
- if(per_cpu(current_vmcs, cpu) != vcpu->vmcs) {
- …
- per_cpu(current_vmcs, cpu) = vcpu->vmcs;
- asmvolatile (ASM_VMX_VMPTRLD_RAX "; setna %0"
- : "=g"(error) : "a"(&phys_addr),"m"(phys_addr)
- : "cc");
- …
- }
- …
- }
并不是所有的狀態都由CPU自動保存與恢復，我們還需要考慮效率。以cr2寄存器為例，大多數時候，從Guest退出到Host再次進入Guest期間，Host并不會改變cr2寄存器的值，而且寫cr2的開銷不小，如果每次VM entry都更新一次cr2，除了浪費CPU指令周期，毫無意義。因此，將這些狀態交給VMM由軟件自行控制更合適。
VCPU生命周期
對于每個虛擬處理器(VCPU)，VMM使用一個線程代表VCPU這個實體。在Guest運轉過程中，每個VCPU基本都在如圖1-3所示的狀態中不斷地轉換。
圖3 VCPU生命周期
在用戶空間準備好后，VCPU所在線程向內核中KVM模塊向發起一個ioctl請求KVM_RUN，告知內核中的KVM模塊，用戶空間的操作已經完成，可以切入Guest模式運行Guest了。
在進入內核態后，KVM模塊將調用CPU提供的虛擬化指令切入Guest模式。如果是首次運行Guest，則使用VMLaunch指令，否則使用VMResume指令。在這個切換過程中，首先，CPU的狀態，也就是Host的狀態，將會被保存到VMCS中存儲Host狀態的區域，非CPU自動保存的狀態由KVM自行保存。然后，加載存儲在VMCS中的Guest的狀態到物理CPU，非CPU自動恢復的狀態則由KVM自行恢復。
物理CPU切入Guest模式，運行Guest指令。當執行Guest指令遇到敏感指令時，CPU將從Guest模式切回到Host模式的ring0，進入Host內核的KVM模塊。在這個切換過程中，首先，CPU的狀態，也就是Guest的狀態，將會被保存到VMCS中存儲Guest狀態的區域，然后，加載存儲在VMCS中的Host的狀態到物理CPU。同樣的，非CPU自動保存的狀態，由KVM模塊自行保存。
處于內核態的KVM模塊從VMCS中讀取虛擬機退出原因，嘗試在內核中處理。如果內核中可以處理，那么虛擬機就不必再切換到Host模式的用戶態了，處理完后，直接快速切回Guest。這種退出也稱為輕量級虛擬機退出。
如果內核態的KVM模塊不能處理虛擬機退出，那么VCPU將再進行一次上下文切換，從Host的內核態切換到Host的用戶態，由VMM的用戶空間部分進行處理。VMM用戶空間處理完畢后，再次發起切入Guest模式的指令。在整個虛擬機運行過程中，這個過程循環往復。
下面是內核空間切入、切出Guest的代碼：
- commit 6aa8b732ca01c3d7a54e93f4d701b8aabbe60fb7
- [PATCH] kvm: userspace interface
- ?linux.git/drivers/kvm/vmx.c
- ?static int vmx_vcpu_run(struct kvm_vcpu *vcpu, …)
- {
- ? u8 fail;
- u16fs_sel, gs_sel, ldt_sel;
- intfs_gs_ldt_reload_needed;
- again:
- …
- ? /*Enter guest mode */
- "jne launched \n\t"
- ASM_VMX_VMLAUNCH "\n\t"
- "jmp kvm_vmx_return \n\t"
- "launched: " ASM_VMX_VMRESUME "\n\t"
- ".globl kvm_vmx_return \n\t"
- "kvm_vmx_return: "
- /*Save guest registers, load host registers, keep flags */
- …
- ? if(kvm_handle_exit(kvm_run, vcpu)) {
- …
- goto again;
- }
- }
- return 0;
- }
在從Guest退出時，KVM模塊首先調用函數kvm_handle_exit嘗試在內核空間處理Guest退出。函數kvm_handle_exit有個約定，如果在內核空間可以成功處理虛擬機退出，或者是因為其他干擾比如外部中斷導致虛擬機退出等無須切換到Host的用戶空間，則返回1;否則返回0，表示需要求助KVM的用戶空間部分處理虛擬機退出，比如需要KVM用戶空間的模擬設備處理外設請求。
如果內核空間成功處理了虛擬機的退出，則函數kvm_handle_exit返回1，我們看到上述代碼直接跳轉到標簽again處，然后程序流程會再次切入Guest。這種虛擬機退出被稱為輕量級虛擬機退出。如果函數kvm_handle_exit返回0，則函數vmx_vcpu_run結束執行，CPU從內核空間返回到用戶空間，以kvmtool為例，其相關代碼片段如下：
- ?commit 8d20223edc81c6b199842b36fcd5b0aa1b8d3456
- Dump KVM_EXIT_IO details
- ?kvmtool.git/kvm.c
- ?int main(int argc, char *argv[])
- {
- …
- ? for (;;){
- kvm__run(kvm);
- ? switch (kvm->kvm_run->exit_reason) {
- caseKVM_EXIT_IO:
- …
- }
- …
- }
根據代碼可見，kvmtool發起進入Guest的代碼處于一個無限的for循環中。當從KVM內核空間返回用戶空間后，kvmtool在用戶空間處理Guest的請求，比如調用模擬設備處理I/O請求。在處理完Guest的請求后，重新進入下一輪for循環，kvmtool再次請求KVM模塊切入Guest。
王柏生 資深技術專家，先后就職于中科院軟件所、紅旗Linux和百度，現任百度主任架構師。在操作系統、虛擬化技術、分布式系統、云計算、自動駕駛等相關領域耕耘多年，有著豐富的實踐經驗。著有暢銷書《深度探索Linux操作系統》(2013年出版)。
謝廣軍 計算機專業博士，畢業于南開大學計算機系。資深技術專家，多年的IT行業工作經驗。現擔任百度智能云副總經理，負責云計算相關產品的研發。多年來一直從事操作系統、虛擬化技術、分布式系統、大數據、云計算等相關領域的研發工作，實踐經驗豐富。
本文內容節選自《深度探索Linux虛擬化技術》，已獲得機械工業出版社華章公司授權。
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