KVM中Guest OS的调度执行

2.1 KVM中Guest OS的调度执行

VMM调度Guest OS执行时，Qemu通过ioctl系统调用进入内核模式，在KVM Driver中通过get_cpu获得当前物理CPU的引用。之后将Guest状态从VMCS中读出。并装入物理CPU中。执行VMLAUCH指令使得物理处理器进入非根操作环境，运行客户代码。

当Guest OS执行一些特权指令或者外部事件时，比如I/O访问，对控制寄存器的操作，MSR的读写数据包到达等。都会导致物理CPU发生VMExit，停止运行Guest OS。将Guest OS保存到VMCS中，Host状态装入物理处理器中，处理器进入根操作环境，KVM取得控制权，通过读取VMCS中VM_EXIT_REASON字段得到引起VM Exit的原因。从而调用kvm_exit_handler处理函数。如果由于I/O获得信号到达，则退出到用户模式的Qemu处理。处理完毕后，重新进入客户模式运行虚拟CPU。如果是因为外部中断，则在Lib KVM中做一些必要的处理，重新进入客户模式执行客户代码。

2.3 KVM中设备管理

一个机器只有一套I/o地址和设备。设备的管理和访问是操作系统中的突出问题、同样也是虚拟机实现的难题，另外还要提供虚拟设备供各个VM使用。在KVM中通过移植Qemu中的设备模型(Device Model)进行设备的管理和访问。操作系统中，软件使用可编程I/O（PIO）和内存映射I/O（MMIO）与硬件交互。而且硬件可以发出中断请求，由操作系统处理。在有虚拟机的情况下，虚拟机必须要捕获并且模拟PIO和MMIO的请求，模拟虚拟硬件中断。

捕获PIO：由硬件直接提供。当VM发出PIO指令时，导致VM Exit然后硬件会将VM Exit原因及对应的指令写入VMCS控制结构中，这样KVM就会模拟PIO指令。

MMIO捕获：对MMIO页的访问导致缺页异常，被KVM捕获，通过X86模拟器模拟执行MMIO指令。KVM中的I/O虚拟化都是用户空间的Qemu实现的。所有PIO和MMIO的访问都是被转发到Qemu的。Qemu模拟硬件设备提供给虚拟机使用。KVM通过异步通知机制以及I/O指令的模拟来完成设备访问，这些通知包括：虚拟中断请求，信号驱动机制以及VM间的通信。

以虚拟机接收数据包来说明虚拟机和设备的交互。

图3 I/O分析

(1)当数据包到达主机的物理网卡后，调用物理网卡的驱动程序，在其中利用Linux内核中的软件网桥，实现数据的转发。

(2)在软件网挢这一层，会判断数据包是发往那个设备的，同时调用网桥的发送函数，向对应的端口发送数据包。

(3)若数据包是发往虚拟机的，则要通过tap设备进行转发，tap设备由两部分组成，网络设备和字符设备。网络设备负责接收和发送数据包，字符设备负责将数据包往内核空间和用户空间进行转发。Tap网络部分收到数据包后，将其设备文件符置位，同时向正在运行VM的进程发出I/O可用信号，引起VM Exit，停止VM运行，进入根操作状态。KVM根据KVM_EXIT_REASON判断原因，模拟I/O指令的执行，将中断注入到VM的中断向量表中。

(4)返回用户模式的Qemu中，执行设备模型。返回到kvm_main loop中，执行Kvm—main—loop—wait，之后进入main_loop wait中，在这个函数里收集对应设备的设备文件描述符的状态，此时tap设备文件描述符的状态同样被集到fd set。

(5)Kvm main—loop不停地循环，通过select系统调用判断哪螋文件描述符的状态发生变化，相应的调用对应的处理函数。对予tap来说，就会通过Qemu—send_packet将数据发往rtl8139一do—receiver，在这个函数中完成相当于硬件RTL8139网卡的逻辑操作。KVM通过模拟I／O指令操作虚拟RTL8139将数据拷贝到用户地址空间，放在相应的I／O地址。用户模式处理完毕后返回内核模式，而后进入客户模式，VM被再次执行，继续收发数据包。