kernel 3.10代码分析--KVM-KVM_SET_USER_MEMORY_REGION流程

1、基本原理
如之前分析，kvm虚拟机实际运行于qemu-kvm的进程上下文中，因此，需要建立虚拟机的物理内存空间(GPA)与qemu-kvm进程的虚拟地址空间(HVA)的映射关系。
虚拟机的物理地址空间实际也是不连续的，分成不同的内存区域(slot)，因为物理地址空间中通常还包括BIOS、MMIO、显存、ISA保留等部分。

qemu-kvm通过ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION来为虚拟机设置内存。主要建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射，从而建立其从GVA到HVA的对应关系，该对应关系主要通过kvm_mem_slot结构体保存，所以实质为设置kvm_mem_slot结构体。
本文简介ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION在内核中的执行流程，qemu-kvm用户态部分暂不包括。

2、基本流程
ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION在内核主要执行流程如下：
kvm_vm_ioctl()
    kvm_vm_ioctl_set_memory_region()
        kvm_set_memory_region()
            __kvm_set_memory_region()
                kvm_iommu_unmap_pages() // 原来的slot需要删除，所以需要unmap掉相应的内存区域
                install_new_memslots() //将new分配的memslot写入kvm->memslots[]数组中
                kvm_free_physmem_slot() // 释放旧内存区域相应的物理内存(HPA)

3、代码分析
kvm_mem_slot结构：

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 /*
   * 由于GPA不能直接用于物理 MMU 进行寻址，所以需要将GPA转换为HVA，
   * kvm中利用 kvm_memory_slot 数据结构来记录每一个地址区间(Guest中的物理
   * 地址区间)中GPA与HVA的映射关系
   */
 struct kvm_memory_slot {
     // 虚拟机物理地址(即GPA)对应的页框号
     gfn_t base_gfn;
     // 当前slot中包含的page数
     unsigned long npages;
     // 脏页位图
     unsigned long *dirty_bitmap;
     // 架构相关的部分
     struct kvm_arch_memory_slot arch;
     /*
      * GPA对应的Host虚拟地址(HVA)，由于虚拟机都运行在qemu的地址空间中
      * 而qemu是用户态程序，所以通常使用根模式下用户地址空间。
      */
     unsigned long userspace_addr;
     u32 flags;
     short id;
 };

kvm_vm_ioctl():

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 /*
   * kvm ioctl vm指令的入口，传入的fd为KVM_CREATE_VM中返回的fd。
   * 主要用于针对VM虚拟机进行控制，如：内存设置、创建VCPU等。
   */
 static long kvm_vm_ioctl(struct file *filp,
              unsigned int ioctl, unsigned long arg)
 {
     struct kvm *kvm = filp->private_data;
     void __user *argp = (void __user *)arg;
     int r;

     if (kvm->mm != current->mm)
         return -EIO;
     switch (ioctl) {
     // 创建VCPU
     case KVM_CREATE_VCPU:
         r = kvm_vm_ioctl_create_vcpu(kvm, arg);
         break;
     // 建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射
     case KVM_SET_USER_MEMORY_REGION: {
         // 存放内存区域信息的结构体，该内存区域从qemu-kvm进程的用户地址空间中分配
         struct kvm_userspace_memory_region kvm_userspace_mem;

         r = -EFAULT;
         // 从用户态拷贝相应数据到内核态，入参argp指向用户态地址
         if (copy_from_user(&kvm_userspace_mem, argp,
                         sizeof kvm_userspace_mem))
             goto out;
         // 进入实际处理流程
         r = kvm_vm_ioctl_set_memory_region(kvm, &kvm_userspace_mem);
         break;
     }
 ...

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_set_memory_region()-->kvm_set_memory_region()-->__kvm_set_memory_region()

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 /*
   * 建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射
   * 相应信息由uerspace_memory_region参数传入，而其源头来自于用户态qemu-kvm。每次
   * 调用设置一个内存区间。内存区域可以不连续(实际的物理内存区域也经常不连
   * 续，因为有可能有保留内存)
   */
 int __kvm_set_memory_region(struct kvm *kvm,
              struct kvm_userspace_memory_region *mem)
 {
     int r;
     gfn_t base_gfn;
     unsigned long npages;
     struct kvm_memory_slot *slot;
     struct kvm_memory_slot old, new;
     struct kvm_memslots *slots = NULL, *old_memslots;
     enum kvm_mr_change change;

     // 标记检查
     r = check_memory_region_flags(mem);
     if (r)
         goto out;

     r = -EINVAL;
     /* General sanity checks */
     // 合规检查，防止用户态恶意传参，导致安全漏洞
     if (mem->memory_size & (PAGE_SIZE - 1))
         goto out;
     if (mem->guest_phys_addr & (PAGE_SIZE - 1))
         goto out;
     /* We can read the guest memory with __xxx_user() later on. */
     if ((mem->slot < KVM_USER_MEM_SLOTS) &&
      ((mem->userspace_addr & (PAGE_SIZE - 1)) ||
      !access_ok(VERIFY_WRITE,
             (void __user *)(unsigned long)mem->userspace_addr,
             mem->memory_size)))
         goto out;
     if (mem->slot >= KVM_MEM_SLOTS_NUM)
         goto out;
     if (mem->guest_phys_addr + mem->memory_size < mem->guest_phys_addr)
         goto out;
     // 将kvm_userspace_memory_region->slot转换为kvm_mem_slot结构，该结构从kvm->memslots获取
     slot = id_to_memslot(kvm->memslots, mem->slot);
     // 内存区域起始位置在Guest物理地址空间中的页框号
     base_gfn = mem->guest_phys_addr >> PAGE_SHIFT;
     // 内存区域大小转换为page单位
     npages = mem->memory_size >> PAGE_SHIFT;

     r = -EINVAL;
     if (npages > KVM_MEM_MAX_NR_PAGES)
         goto out;

     if (!npages)
         mem->flags &= ~KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES;

     new = old = *slot;

     new.id = mem->slot;
     new.base_gfn = base_gfn;
     new.npages = npages;
     new.flags = mem->flags;

     r = -EINVAL;
     if (npages) {
         // 判断是否需新创建内存区域
         if (!old.npages)
             change = KVM_MR_CREATE;
         // 判断是否修改现有的内存区域
         else { /* Modify an existing slot. */
             // 修改的区域的HVA不同或者大小不同或者flag中的
             // KVM_MEM_READONLY标记不同，直接退出。
             if ((mem->userspace_addr != old.userspace_addr) ||
              (npages != old.npages) ||
              ((new.flags ^ old.flags) & KVM_MEM_READONLY))
                 goto out;
             /*
              * 走到这，说明被修改的区域HVA和大小都是相同的
              * 判断区域起始的GFN是否相同，如果是，则说明需
              * 要在Guest物理地址空间中move这段区域，设置KVM_MR_MOVE标记
              */
             if (base_gfn != old.base_gfn)
                 change = KVM_MR_MOVE;
             // 如果仅仅是flag不同，则仅修改标记，设置KVM_MR_FLAGS_ONLY标记
             else if (new.flags != old.flags)
                 change = KVM_MR_FLAGS_ONLY;
             // 否则，啥也不干
             else { /* Nothing to change. */
                 r = 0;
                 goto out;
             }
         }
     } else if (old.npages) {/*如果新设置的区域大小为0，而老的区域大小不为0，则表示需要删除原有区域。*/
         change = KVM_MR_DELETE;
     } else /* Modify a non-existent slot: disallowed. */
         goto out;

     if ((change == KVM_MR_CREATE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
         /* Check for overlaps */
         r = -EEXIST;
         // 检查现有区域中是否重叠的
         kvm_for_each_memslot(slot, kvm->memslots) {
             if ((slot->id >= KVM_USER_MEM_SLOTS) ||
              (slot->id == mem->slot))
                 continue;
             if (!((base_gfn + npages <= slot->base_gfn) ||
              (base_gfn >= slot->base_gfn + slot->npages)))
                 goto out;
         }
     }

     /* Free page dirty bitmap if unneeded */
     if (!(new.flags & KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES))
         new.dirty_bitmap = NULL;

     r = -ENOMEM;
     // 如果需要创建新区域
     if (change == KVM_MR_CREATE) {
         new.userspace_addr = mem->userspace_addr;
         // 设置新的内存区域架构相关部分
         if (kvm_arch_create_memslot(&new, npages))
             goto out_free;
     }

     /* Allocate page dirty bitmap if needed */
     if ((new.flags & KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES) && !new.dirty_bitmap) {
         if (kvm_create_dirty_bitmap(&new) < 0)
             goto out_free;
     }
     // 如果删除或move内存区域
     if ((change == KVM_MR_DELETE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
         r = -ENOMEM;
         // 复制kvm->memslots的副本
         slots = kmemdup(kvm->memslots, sizeof(struct kvm_memslots),
                 GFP_KERNEL);
         if (!slots)
             goto out_free;
         slot = id_to_memslot(slots, mem->slot);
         slot->flags |= KVM_MEMSLOT_INVALID;
         // 安装新memslots，返回旧的memslots
         old_memslots = install_new_memslots(kvm, slots, NULL);

         /* slot was deleted or moved, clear iommu mapping */
         // 原来的slot需要删除，所以需要unmap掉相应的内存区域
         kvm_iommu_unmap_pages(kvm, &old);
         /* From this point no new shadow pages pointing to a deleted,
          * or moved, memslot will be created.
          *
          * validation of sp->gfn happens in:
          *     - gfn_to_hva (kvm_read_guest, gfn_to_pfn)
          *     - kvm_is_visible_gfn (mmu_check_roots)
          */
         // flush影子页表中的条目
         kvm_arch_flush_shadow_memslot(kvm, slot);
         slots = old_memslots;
     }
     // 处理private memory slots，对其分配用户态地址，即HVA
     r = kvm_arch_prepare_memory_region(kvm, &new, mem, change);
     if (r)
         goto out_slots;

     r = -ENOMEM;
     /*
      * We can re-use the old_memslots from above, the only difference
      * from the currently installed memslots is the invalid flag. This
      * will get overwritten by update_memslots anyway.
      */
     if (!slots) {
         slots = kmemdup(kvm->memslots, sizeof(struct kvm_memslots),
                 GFP_KERNEL);
         if (!slots)
             goto out_free;
     }

     /*
      * IOMMU mapping: New slots need to be mapped. Old slots need to be
      * un-mapped and re-mapped if their base changes. Since base change
      * unmapping is handled above with slot deletion, mapping alone is
      * needed here. Anything else the iommu might care about for existing
      * slots (size changes, userspace addr changes and read-only flag
      * changes) is disallowed above, so any other attribute changes getting
      * here can be skipped.
      */
     if ((change == KVM_MR_CREATE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
         r = kvm_iommu_map_pages(kvm, &new);
         if (r)
             goto out_slots;
     }

     /* actual memory is freed via old in kvm_free_physmem_slot below */
     if (change == KVM_MR_DELETE) {
         new.dirty_bitmap = NULL;
         memset(&new.arch, 0, sizeof(new.arch));
     }
     //将new分配的memslot写入kvm->memslots[]数组中
     old_memslots = install_new_memslots(kvm, slots, &new);

     kvm_arch_commit_memory_region(kvm, mem, &old, change);
     // 释放旧内存区域相应的物理内存(HPA)
     kvm_free_physmem_slot(&old, &new);
     kfree(old_memslots);

     return 0;

 out_slots:
     kfree(slots);
 out_free:
     kvm_free_physmem_slot(&new, &old);
 out:
     return r;
 }