内存虚拟化硬件基础——EPT

前言

• EPT（Extended Page Table）是Intel为实现内存虚拟化专门增加的硬件特性。
• 实现内存虚拟化，主要解决的问题是，当CPU运行在VMX非根模式下，它对所有物理内存的读写，需要通过VMM的模拟来实现的。
• 非根模式下的CPU，仍然要支持实模式，保护模式，保护模式下的三种分页模式以及各种地址转换的表，比如页目录指针表（PDPT），页目录表（PD），页表（PT）等等。当涉及到物理内存的读写时，如果是根模式就直接读写，但这里是非根模式，它是要模拟一个CPU，所有对于主机上资源的访问都要被监控或者被模拟，包括物理内存。因此传统的设计思路是非根模式下CPU对物理内存的访问被认定为敏感指令，会退回到根模式交给VMM处理，VMM负责将这段物理内存转化成主机上真实的物理内存然后返还给虚机CPU使用。
• 传统的设计思路有两个问题：一是非根模式下的CPU访问物理内存很频繁，会频繁的触发CPU模式切换，开销非常大；二是退回到根模式后，VMM对客户机物理地址的模拟要经过GPA -> HVA -> HPA三个阶段的地址转换，软件实现效率低。
• 影子页表解决了第二个问题，它的出发点是减少地址转换。基本原理是：当处于非根模式下的CPU有修改CR3的动作时（通常是下一个进程被调度的时候），意味着有页目录地址会被加载到CR3（如果是32-bit分页模式），这时VMM截获这个动作，退回到根模式，VMM中维护了一个hash链表，专用于存放CR3中页目录地址对应的影子地址，VMM拿到页目录地址后计算该地址的hash值并作为key放到hash表中，然后申请一个主机上的物理地址作为页目录的地址放到CR3寄存器中，同时主机上的物理地址也被存放到hash表中，CR3原有的应该被保存的页目录地址被VMM保存起来，当虚拟机进程被调度出去的时候，CR3中应该被保存的页目录地址要放回到进程控制块中，这时VMM会截获这个动作并提供之前保存的页目录地址。VMM在CR3寄存器被修改的过程中，偷天换日，将本应该放到CR3中的地址拿走，替换成自己申请的地址，当客户机要从CR3中取回这个地址时替换回去。影子页表的示意图如下，由于每个进程都有自己的地址空间，因此都有一个CR3的内存值，所以影子页表的Hash链表中，一个Node节点对应存放一个进程的页目录地址。
  
• KVM通过监听CR3寄存器读写，为每一个在VMX模式下使用CR3加载页表的进程，在主机上维护了对应的页目录和页表（注意，影子页表的说法并不准确，因为主机上除了页表，还维护了页目录，这些都是影子）。CR3指向的是进程的一个内存地址空间，所以主机需要为VMX模式下的所有进程，都维护这样一份影子页目录和影子页表，放在hash表中，当进程被调度，页表被加载时，从hash表中找到对应的影子页目录的地址放到CR3中。影子页表通过增加内存维护成本，减少地址转换的路径。有一定效果，但每个进程的页表和页目录的维护成本也不小，因此进一步引入了EPT机制
• EPT克服了影子页表使用软件维护GVA->HPA地址转换的缺点，它使用硬件来维护GPA->HPA，因此效率大大提高。而且，影子页表虽然缩短了地址转换路径，但每次虚机进程访问CR3时，都会引起VMX的模式切换，开销很大。影子页表在每次加载和卸载的时候都会引起模式切换，而EPT减少了这种开销，EPT只在缺页的时候才引起VMX模式切换，一旦页表建立好之后，EPT就不再有模式切换的开销，虚机内存的访问一直在客户态。

EPT转换开关

• EPT是Intel为支持虚拟化的开发的硬件特性，因此使能开关应该在虚拟化相关的域中，secondary processor-based VM-execution contro是VM-execution的一个控制字段，它位于VMCS（Virtual Machine Control State）中，它是一个32bit的字段，其中一个bit就是EPT使能位。

EPT转换时机

• EPT使能之后，客户态模式下所有物理地址都被识别成guest-physical address，CPU对这些地址的访问需要通过EPT转换成主机上的物理地址。EPT地址转换时机就是CPU访问GPA的时侯。为了让客户机的程序感觉不到自己处于客户态，EPT需要支持实模式，保护模式和保护模式下所有的分页模式，所有这些模式下对物理地址的访问，都要触发GPA地址转换。实模式下，进程的所有线性地址都是GPA；保护模式下，进程页表的物理地址，页目录地址，页表地址，这些都是GPA。
• 以保护模式下32-bit分页模式为例（CR0.PG = 1）为例，介绍客户态模式下物理页查询过程中的地址转换，假设MMU的输入是一个32bit的进程线性地址：

1. MMU首先从CR3中取出页目录地址，访问该页目录的内容，此时页目录地址被认为是GPA，会触发EPT页表的查询，返回的HPA指向页目录。MMU取32-bit线性地址的高10位作为索引，在页目录中查找并获取页表地址
2. MMU拿到页表地址后，访问该页表内容，此地址也被认为是GPA，会触发EPT页表查询，返回一个HPA指向页表。MMU取32-bit线性地址的中间10位作为索引，在页表中查找对应的条目，获取物理页地址
3. MMU拿到物理页地址后，访问该页内的偏移，再次触发EPT页表查询，返回HPA指向主机的物理页。MMU取32-bit线性地址的最低12位作为偏移，读写物理页的内容。
   注意，EPT转换只有在客户态真正访问GPA内容时才发生。MMU单单获取GPA时不会触发地址转换。

EPT转换原理

EPT页结构

• Intel处理器设计了EPT的页结构用来将保存GPA到HPA的映射，因此说EPT是硬件支持的，EPT的页结构如下图的咖啡色部分，整个页结构有4级，和4-level分页模式的结构一模一样，只有存放PML4 Table物理地址的地方不一样，4-level将PML4 Table的地址存放在CR3寄存器中；EPT没有，EPT中PML4 Table的地址被称为EPTP，它存放在VMCS中的VM-execution 控制字段。VMM用VMCS来配置VM的运行环境以及控制VM的运行。进入客户态之前，VMM首先通过特殊指令VMPTRLD加载VMCS内存地址的指针，其中就包括EPTP字段，因此理论上EPTP是针对每个虚机而言的，EPT对每个虚机是可以配置的。有人会问，客户态的所有物理地址都是GPA，那么存放EPT物理地址的EPTP是什么地址呢？个人理解，这个地址不是GPA，它非常特殊，因为它是在未进入客户态之前由VMM加载的，不可能是GPA，应该是主机上的地址HPA。
  

EPT地址转换

• EPT地址转换的输入有两个，一个是客户机的物理地址GPA（Guest Physical Address），一个是PML4 Table的物理地址，指向了EPT的页结构。当运行在客户态下的CPU访问CR3指向的页结构时，如果涉及到对物理内存的内容的访问，就会触发EPT地址转换，Intel硬件接管这个任务，完成转换，步骤如下：

1. 根据VMCS中的EPTP字段找到页结构的起始地址：PML4 Table的地址，加载对应的PML4 Table内容，PML4 Table中由512个条目，将GPA的高9位作为索引，在PML4 Table中索引PDPT（Page Directory Pointer Table）的地址。
2. 根据PDPT地址加载PDPT内容，也是512个条目，将GPA的次9位作为索引，在PDPT中索引PDT（Page Directory Table）的地址。
3. 根据PDT地址加载PDT内容，同样是512个条目，将GPA从高到低的第3个9位作为索引，在PDT中索引页表的地址。
4. 根据页表的地址加载其内容，同样是512个条目，将GPA从高到底的第4个9位作为索引，在页表中找到页的地址。
5. 根据页地址，加载页的内容，将GPA的低12位作为索引，在页中找到最终要访问的页的内容。

• 对EPT页结构中的访问出错可能导致页故障从而引发VM-exit，分下面两种情况：

1. EPT violation，这种情况典型场景就是页结构不存在，类似于主机上的缺页故障（#PF Page Fault），发生这种故障后CPU会退回到内核态，同时会在VM-exit qualification字段记录EPT violation故障的详细信息。EPT页结构和主机上普通的页结构类似，页表都是故障触发，逐渐填充页结构的过程。在客户态模式下，这是EPT violation故障；在主机上，这就是缺页故障。怎样判断页结构不存在呢？通过查看每个描述页结构条目的低3位（read/write/execute），如果低3位全都为0，就表示指向的下一级页结构不存在（not-present）。这是非页表的情况，如果是页表（Page Table），它的条目的最低位是Present位，可以单独用来表示指向的页是否存在。
2. EPT misconfiguration，另一种会导致页故障的情况，它是在页结构存在的情况下（页结构低3位的任何一位非0），发现页结构的内容设置不恰当而产生的故障，这种情况是EPT的页结构真的出了配置上的问题而产生的故障，对于EPT misconfiguration，并不会记录详细信息。VM-exit qualification字段为未定义值。
   注意，故障不同于异常，硬件故障后会跳转到相应的处理例程，在处理完之后会重新运行出故障时的指令而非下一条，EPT violation和主机页表中的Page Fault一样，都属于故障。对于使用EPT页表或者主机页表的用户程序来说，当访问到不存在的页结构触发了故障后，硬件会处理然后重新执行，用户程序是感觉不到的。