KVM vCPU创建过程

1、基本原理
如之前的文章分析，在KVM虚拟化环境中， 硬件虚拟化使用 VCPU(Virtual CPU) 描述符来描述虚拟 CPU ，VCPU 描述符与 OS 中进程描述符类似，本质是一个结构体kvm_vcpu，其中包含如下信息：

VCPU标识信息，如VCPU的ID号，VCPU属于哪个Guest等。

虚拟寄存器信息，在VT-x的环境中，这些信息包含在VMCS中。

VCPU状态信息，标识白VCPU当前所处的状态(睡眠、运行等)，主要供调度器使用。

额外的寄存器/部件信息，主要指未包含在VMCS中的寄存器或CPU部件，比如：浮点寄存器和虚拟的LAPIC等。

其他信息：用户VMM进行优化或存储额外信息的字段，如：存放该VCPU私有数据的指针。

当 VMM 创建虚拟机时，首先要为虚拟机创建 VCPU ，整个虚拟机的运行实际上可以看做 VMM 调度不同的 VCPU 运行 。
虚拟机的VCPU通过ioctl VM指令 K VM_CREATE_VCPU实现 ，实质为创建kvm_vcpu结构体，并进行相关初始化。本文简单分析VCPU创建过程，qemu-kvm用户态实现部分暂不包括。

2、基本流程
kvm_vm_ioctl() // kvm ioctl vm指令入口
    kvm_vm_ioctl_create_vcpu() // 为虚拟机创建VCPU的ioctl调用的入口函数
        kvm_arch_vcpu_create() // 创建vcpu结构，架构相关，对于intel x86来说，最终调用vmx_create_vcpu
        kvm_arch_vcpu_setup() // 设置VCPU结构
        create_vcpu_fd() // 为新创建的vcpu创建对应的fd，以便于后续通过该fd进行ioctl操作
        kvm_arch_vcpu_postcreate() // 架构相关的善后工作，比如再次调用vcpu_load，以及tsc相关处理

3、代码分析
kvm_vcpu结构：

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 struct kvm_vcpu {
     // 指向此vcpu所属的虚拟机对应的kvm结构
     struct kvm *kvm;
 #ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
     struct preempt_notifier preempt_notifier;
 #endif
     int cpu;
     // vcpu id，用于唯一标识该vcpu
     int vcpu_id;
     int srcu_idx;
     int mode;
     unsigned long requests;
     unsigned long guest_debug;

     struct mutex mutex;
     // 执行虚拟机对应的kvm_run结构
     struct kvm_run *run;

     int fpu_active;
     int guest_fpu_loaded, guest_xcr0_loaded;
     wait_queue_head_t wq;
     struct pid *pid;
     int sigset_active;
     sigset_t sigset;
     // vcpu状态信息
     struct kvm_vcpu_stat stat;
     // mmio相关部分
 #ifdef CONFIG_HAS_IOMEM
     int mmio_needed;
     int mmio_read_completed;
     int mmio_is_write;
     int mmio_cur_fragment;
     int mmio_nr_fragments;
     struct kvm_mmio_fragment mmio_fragments[KVM_MAX_MMIO_FRAGMENTS];
 #endif

 #ifdef CONFIG_KVM_ASYNC_PF
     struct {
         u32 queued;
         struct list_head queue;
         struct list_head done;
         spinlock_t lock;
     } async_pf;
 #endif

 #ifdef CONFIG_HAVE_KVM_CPU_RELAX_INTERCEPT
     /*
      * Cpu relax intercept or pause loop exit optimization
      * in_spin_loop: set when a vcpu does a pause loop exit
      * or cpu relax intercepted.
      * dy_eligible: indicates whether vcpu is eligible for directed yield.
      */
     struct {
         bool in_spin_loop;
         bool dy_eligible;
     } spin_loop;
 #endif
     bool preempted;
     // 架构相关部分，包括的寄存器、apic、mmu相关等架构相关的内容
     struct kvm_vcpu_arch arch;
 };

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu():

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 /*
   * 为虚拟机创建VCPU的ioctl调用的入口函数，本质为创建vcpu结构并初始化，并将其填入kvm结构中。
   */
 static int kvm_vm_ioctl_create_vcpu(struct kvm *kvm, u32 id)
 {
     int r;
     struct kvm_vcpu *vcpu, *v;

     // 创建vcpu结构，架构相关，对于intel x86来说，最终调用vmx_create_vcpu
     vcpu = kvm_arch_vcpu_create(kvm, id);
     if (IS_ERR(vcpu))
         return PTR_ERR(vcpu);

     preempt_notifier_init(&vcpu->preempt_notifier, &kvm_preempt_ops);

     /*
      * 设置vcpu结构，主要调用kvm_x86_ops->vcpu_load，KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU，
      * 并进行虚拟机mmu相关设置，比如进行ept页表的相关初始工作或影子页表
      * 相关的设置。
      */
     r = kvm_arch_vcpu_setup(vcpu);
     if (r)
         goto vcpu_destroy;

     mutex_lock(&kvm->lock);
     if (!kvm_vcpu_compatible(vcpu)) {
         r = -EINVAL;
         goto unlock_vcpu_destroy;
     }
     if (atomic_read(&kvm->online_vcpus) == KVM_MAX_VCPUS) {
         r = -EINVAL;
         goto unlock_vcpu_destroy;
     }

     // 检测分配的vcpu id是否已经存在
     kvm_for_each_vcpu(r, v, kvm)
         if (v->vcpu_id == id) {
             r = -EEXIST;
             goto unlock_vcpu_destroy;
         }
     /*
      * kvm->vcpus[]数组包括该vm的所有vcpu，定义为KVM_MAX_VCPUS大小的数组。
      * 在kvm结构初始化时，其中所有成员都初始化为0，在vcpu还没有
      * 分配之前，如果不为0，那就是bug了。
      */
     BUG_ON(kvm->vcpus[atomic_read(&kvm->online_vcpus)]);

     /* Now it's all set up, let userspace reach it */
     // 增加kvm的引用计数
     kvm_get_kvm(kvm);
     // 为新创建的vcpu创建对应的fd，以便于后续通过该fd进行ioctl操作
     r = create_vcpu_fd(vcpu);
     if (r < 0) {
         kvm_put_kvm(kvm);
         goto unlock_vcpu_destroy;
     }

     // 将新创建的vcpu填入kvm->vcpus[]数组中
     kvm->vcpus[atomic_read(&kvm->online_vcpus)] = vcpu;
     // 内存屏障，防止同时访问kvm结构时乱序
     smp_wmb();
     // 增加online vcpu的数量
     atomic_inc(&kvm->online_vcpus);

     mutex_unlock(&kvm->lock);
     // 架构相关的善后工作，比如再次调用vcpu_load，以及tsc相关处理
     kvm_arch_vcpu_postcreate(vcpu);
     return r;

 unlock_vcpu_destroy:
     mutex_unlock(&kvm->lock);
 vcpu_destroy:
     kvm_arch_vcpu_destroy(vcpu);
     return r;
 }

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_create()-->kvm_x86_ops->vcpu_create()-->vmx_create_vcpu():

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 /*
   * Intel x86架构中创建并初始化VCPU中架构相关部分
   */
 static struct kvm_vcpu *vmx_create_vcpu(struct kvm *kvm, unsigned int id)
 {
     int err;
     // 从slab中，分配vcpu_vmx结构体，其中包括VMX技术硬件相关信息。
     struct vcpu_vmx *vmx = kmem_cache_zalloc(kvm_vcpu_cache, GFP_KERNEL);
     int cpu;

     if (!vmx)
         return ERR_PTR(-ENOMEM);
     // 分配vpid，vpid为VCPU的唯一标识。
     allocate_vpid(vmx);
     // 初始化vmx中的vcpu结构
     err = kvm_vcpu_init(&vmx->vcpu, kvm, id);
     if (err)
         goto free_vcpu;
     // 分配Guest的msr寄存器保存区
     vmx->guest_msrs = kmalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);
     err = -ENOMEM;
     if (!vmx->guest_msrs) {
         goto uninit_vcpu;
     }

     vmx->loaded_vmcs = &vmx->vmcs01;
     /*
      * 分配VMCS结构，该结构用于保存虚拟机和虚拟机监控器的系统编程接口状态。
      * 当执行VM exit和VM entry操作时，VT-x自动根据VMCS中的内容完成虚拟机和虚拟机监
      * 控器间的系统编程接口状态切换。
      */
     vmx->loaded_vmcs->vmcs = alloc_vmcs();
     if (!vmx->loaded_vmcs->vmcs)
         goto free_msrs;
     // 是否设置了vmm_exclusive
     if (!vmm_exclusive)
         // VMXON指令用于开启VMX模式
         kvm_cpu_vmxon(__pa(per_cpu(vmxarea, raw_smp_processor_id())));
     loaded_vmcs_init(vmx->loaded_vmcs);
     if (!vmm_exclusive)
         // VMXON指令用于关闭VMX模式
         kvm_cpu_vmxoff();
     // 当前cpu
     cpu = get_cpu();
     // KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU
     vmx_vcpu_load(&vmx->vcpu, cpu);
     vmx->vcpu.cpu = cpu;
     // 设置vmx相关信息
     err = vmx_vcpu_setup(vmx);
     vmx_vcpu_put(&vmx->vcpu);
     put_cpu();
     if (err)
         goto free_vmcs;
     if (vm_need_virtualize_apic_accesses(kvm)) {
         err = alloc_apic_access_page(kvm);
         if (err)
             goto free_vmcs;
     }
     // 是否支持EPT
     if (enable_ept) {
         if (!kvm->arch.ept_identity_map_addr)
             kvm->arch.ept_identity_map_addr =
                 VMX_EPT_IDENTITY_PAGETABLE_ADDR;
         err = -ENOMEM;
         // 分配identity页表
         if (alloc_identity_pagetable(kvm) != 0)
             goto free_vmcs;
         // 初始化identity页表
         if (!init_rmode_identity_map(kvm))
             goto free_vmcs;
     }

     vmx->nested.current_vmptr = -1ull;
     vmx->nested.current_vmcs12 = NULL;

     return &vmx->vcpu;

 free_vmcs:
     free_loaded_vmcs(vmx->loaded_vmcs);
 free_msrs:
     kfree(vmx->guest_msrs);
 uninit_vcpu:
     kvm_vcpu_uninit(&vmx->vcpu);
 free_vcpu:
     free_vpid(vmx);
     kmem_cache_free(kvm_vcpu_cache, vmx);
     return ERR_PTR(err);
 }

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_setup():

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 int kvm_arch_vcpu_setup(struct kvm_vcpu *vcpu)
 {
     int r;

     vcpu->arch.mtrr_state.have_fixed = 1;
     // KVM虚拟机VCPU数据结构载入物理CPU
     r = vcpu_load(vcpu);
     if (r)
         return r;
     // vcpu重置，包括相关寄存器、时钟、pmu等，最终调用vmx_vcpu_reset
     kvm_vcpu_reset(vcpu);
     /*
      * 进行虚拟机mmu相关设置，比如进行ept页表的相关初始工作或影子页表
      * 相关的设置。
      */
     r = kvm_mmu_setup(vcpu);
     vcpu_put(vcpu);

     return r;
 }

kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_create_vcpu()-->kvm_arch_vcpu_setup()-->kvm_mmu_setup()-->init_kvm_mmu():

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 static int init_kvm_mmu(struct kvm_vcpu *vcpu)
 {
     // NPT(Nested page table，AMD x86硬件提供的内存虚拟化技术，相当于Intel中的EPT技术)相关初始化
     if (mmu_is_nested(vcpu))
         return init_kvm_nested_mmu(vcpu);
     /*
      * EPT(Extended page table，Intel x86硬件提供的内存虚拟化技术)相关初始化
      * 主要是设置一些函数指针，其中比较重要的如缺页异常处理函数
      */
     else if (tdp_enabled)
         return init_kvm_tdp_mmu(vcpu);
     // 影子页表(软件实现内存虚拟化技术)相关初始化
     else
         return init_kvm_softmmu(vcpu);
 }