KVM地址翻译流程及EPT页表的建立过程

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引：本文多处使用以下术语，声明如下：

GVA，Guest Virtual Address客户机进程的线性地址
GPA，Guest Physical Address 客户机的物理地址
HVA，Host Virtual Address 宿主机进程的线性地址
HPA，Host Physical Address 宿主机的物理地址

在KVM机制下，客户系统运行在CPU的非根模式，透明的完成地址翻译，即对客户机而言，一条客户机虚拟地址经MMU翻译为客户机物理地址而返回。但实际过程则稍微复杂，因为每一条客户机物理地址也都是真实存在于物理内存上的，而虚拟机所在的地址空间并不是真实的内存物理地址空间，所以客户域下的GPA需要再经过某种地址翻译机制完成到HPA的转化，才能够取得真实物理内存单元中的内容。

KVM提供了两种地址翻译的机制，基于软件模拟的影子页表机制，以及基于硬件辅助的扩展页表机制(Intel的EPT，AMD的NPT)。详细的机制介绍参见Reference，这里重介绍开启硬件支持的EPT/NPT地址翻译情况。
 

地址翻译的流程：

与影子页表的构成略有不同(影子页表项存储的是GVA->HPA的映射)，基于硬件辅助的地址翻译采用二维的地址翻译结构(“two-dimensional”)，如以下两图所示。客户系统维护自身的客户页表，即完成GVA->GPA的映射，而具体的每一条客户页表项、客户页目录项都是真实存储在物理内存中的，所以需要完成GPA->HPA的映射，定位到宿主物理地址空间，以获得物理内存单元中的值。EPT/NPT页表就负责维护GPA->HPA的映射，并且EPT/NPT页表是由处理器的MMU直接读取的，可以高效的实现地址翻译。总结之，所谓“二维”的地址翻译结构，即客户系统维护自己的页表，透明地进行地址翻译；VMM负责将客户机请求的GPA映射到宿主机的物理地址，到真实的内存单元中取值。

一条完整的地址翻译流程为，处于非根模式的CPU加载客户进程的gCR3，由于gCR3是一条GPA，CPU需要通过查询EPT/NPT页表来实gCR3 GPA->HPA的转换。CPU MMU首先查询硬件的TLB，如果没有GPA到HPA的映射，在cache中查询EPT/NPT，若cache中未缓存，逐层向下层存储查询，最终获得gCR3所映射的物理地址单元内容，作为下一级客户页表的索引基址。如果还没有，CPU抛出EPT Violation，由VMM截获处理。根据GVA获得偏移，获得一条地址用于索引下一级页表，该地址为GPA，再由VCPU的MMU查询EPT/NPT，如此往复，最终获得客户机请求的客户页内容。假设客户机有m级页表，宿主机EPT/NPT有n级，在TLB均miss的最坏情况下，会产生m*n次内存访问，完成一次客户机的地址翻译。

虽然影子页表与EPT/NPT的机制差距甚大，一个用于建立GVA->HPA的影子页表，另一个用于建立GPA->EPT的硬件寻址页表，但是在KVM层建立页表的过程却十分相似，所以在KVM中共用了建立页表的这部分代码。至于究竟建立的是什么页表，init_kvm_mmu()会根据EPT支持选项是否开启，选择使用哪种方式建立页表。

EPT页表的建立过程：

与宿主机页表建立过程相似，EPT页表结构也是通过对缺页异常的处理完成的。Guset处在非根模式下运行，加载新的客户进程时，将VMCS客户域CR3的值加载到CR3寄存器(保存的是GPA)，非根模式下的CPU根据EPT页表寻址该GPA->HPA的映射，EPT页表的基址在VMCS执行域的EPTP字段中保存。初始情况下客户进程页表与该进程的父进程共享一套页表结构(COW机制)，Guest CR3指向的客户物理页面为空页面，客户页表缺页，KVM采用不处理客户页表缺页的机制，虚拟机不退出，由客户机的缺页异常处理函数负责分配一个客户物理页面，将该页面物理地址回填，建立客户页表结构；完成该映射的过程需要将GPA翻译到HPA，此时该进程相应的EPT页表为空，产生EPT_VIOLATION，虚拟机退出到根模式下执行，由KVM捕获该异常，建立该GPA到宿主物理地址HPA的映射，完成一套EPT页表的建立，中断返回，切换到非根模式继续运行。VCPU的mmu查询下一级客户页表，根据GVA的偏移产生一条新的GPA，客户机寻址该GPA对应页面，产生客户缺页，不发生VM_Exit，由客户系统的缺页处理函数捕获该异常，从客户物理内存中选择一个空闲页，将该客户物理地址GPA回填给客户页表，此时该GPA对应的EPT页表项不存在，发生EPT_VIOLATION，切换到根模式下，由KVM负责建立该GPA->HPA映射，再切换回非根模式，如此往复，直到非根模式下GVA最后的偏移建立最后一级客户页表，分配GPA，缺页异常退出到根模式建立最后一套EPT页表。至此，一条GVA对应在真实物理内存单元中的内容，便可通过这一套二维页表结构获得。

虚拟机每一次运行，执行vcpu_enter_guest这个函数，载入ept页表

static int vcpu_enter_guest(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
    ... ...
    r = kvm_mmu_reload(vcpu);
    ... ...
}

调用 kvm_mmu_load 函数，设置客户CR3

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

	r = mmu_topup_memory_caches(vcpu);
	if (r)
		goto out;
	r = mmu_alloc_roots(vcpu);
	spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
	mmu_sync_roots(vcpu);
	spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
	if (r)
		goto out;
	/* set_cr3() should ensure TLB has been flushed */
	kvm_x86_ops->set_cr3(vcpu, vcpu->arch.mmu.root_hpa);
out:
	return r;
}

KVM对客户机缺页异常的处理，此处以Intel EPT为例，处理流程如图：

客户机运行过程中，首先获得gCR3的客户页帧号(右移PAGE_SIZE)，根据其所在memslot区域获得其对应的HVA，再由HVA转化为HPA，得到宿主页帧号。若GPA->HPA的映射不存在，将会触发VM-Exit，KVM负责捕捉该异常，并交由KVM的缺页中断机制进行相应的缺页处理。kvm_vmx_exit_handlers函数数组中，保存着全部VM-Exit的处理函数，它由kvm_x86_ops的vmx_handle_exit负责调用。缺页异常的中断号为EXIT_REASON_EPT_VIOLATION，对应由handle_ept_violation函数进行处理。

tdp_page_fault是EPT的缺页处理函数，负责完成GPA->HPA转化。而传给tdp_page_fault的GPA是通过vmcs_read64函数(VMREAD指令)获得的。
gpa = vmcs_read64(GUEST_PHYSICAL_ADDRESS);

gfn_to_pfn函数分析：
GPA到HPA的转化分两步完成，分别通过gfn_to_hva、hva_to_pfn两个函数完成。
- gfn_to_hva首先确定gpa对应的gfn映射到哪一个kvm_memory_slot，通过kvm_memory_slot做一个地址映射(实际就是做一个线性的地址偏移，偏移大小为(gfn - slot->base_gfn) * PAGE_SIZE)，这样就得到了由gfn到hva的映射，实际获得的是GPA的客户物理页号到宿主虚拟地址的映射。
- hva_to_pfn利用获得的gfn到hva的映射，完成宿主机上的虚拟地址(该虚拟地址为gfn对应的虚拟地址)到物理地址的转换，进而获得宿主机物理页框号pfn。此转换可能涉及宿主机物理页缺页，需要请求分配该页。

__direct_map函数分析：
建立EPT页表结构的函数为__direct_map，KVM用结构体kvm_mmu_page表示一个EPT页表项。__direct_map负责将GPA逐层添加到EPT页表中，若找到最终level的EPT页表项，调用mmu_set_spte将GPA添加进去，若为各级中间level的页表项，调用__set_spte将下一级物理地址添加进去。详细函数分析：
1. for_each_shadow_entry宏：遍历每一级EPT页表

#define for_each_shadow_entry(_vcpu, _addr, _walker)    \
for (shadow_walk_init(&(_walker), _vcpu, _addr);\
    shadow_walk_okay(&(_walker));\
    shadow_walk_next(&(_walker)))

先介说明一下结构体struct kvm_shadow_walk_iterator

struct kvm_shadow_walk_iterator {
u64 addr; //寻找的GuestOS的物理页帧，即(u64)gfn << PAGE_SHIFT
hpa_t shadow_addr;//当前EPT页表项的物理基地址
int level; //当前所处的页表级别
u64 *sptep; //指向下一级EPT页表的指针
unsigned index;//当前页表的索引
};

shadow_walk_init负责初始化struct kvm_shadow_walk_iterator结构，

static void shadow_walk_init(struct kvm_shadow_walk_iterator *iterator,
    struct kvm_vcpu *vcpu, u64 addr)
{
//把要索引的地址赋给addr
iterator->addr = addr;

//初始化时，要查找的页表基址就是当前VCPU的根页表目录的物理地址
iterator->shadow_addr = vcpu->arch.mmu.root_hpa;

//说明EPT页表是几级页表
iterator->level = vcpu->arch.mmu.shadow_root_level;

if (iterator->level == PT32E_ROOT_LEVEL) {
iterator->shadow_addr
= vcpu->arch.mmu.pae_root[(addr >> 30) & 3];
iterator->shadow_addr &= PT64_BASE_ADDR_MASK;
--iterator->level;
if (!iterator->shadow_addr)
iterator->level = 0;
}
}

shadow_walk_okay查询当前页表，获得下一级EPT页表的基地址，或最终的物理内存单元地址，

static bool shadow_walk_okay(struct kvm_shadow_walk_iterator *iterator)
{
//若页表级数小于1，直接退出
if (iterator->level < PT_PAGE_TABLE_LEVEL)
return false;

//最后一级页表
if (iterator->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL)
if (is_large_pte(*iterator->sptep))
return false;

//获得在当前页表的索引
iterator->index = SHADOW_PT_INDEX(iterator->addr, iterator->level);

//取得下一级EPT页表的基地址，或最终的物理内存单元地址
iterator->sptep= ((u64 *)__va(iterator->shadow_addr)) + iterator->index;
return true;
}

shadow_walk_next索引下一级EPT页表

static void shadow_walk_next(struct kvm_shadow_walk_iterator *iterator)
{
iterator->shadow_addr = *iterator->sptep & PT64_BASE_ADDR_MASK;
--iterator->level;
}

2. mmu_set_spte，设置当前请求level的EPT页表项，该level值由tdp_page_fault中的level = mapping_level(vcpu, gfn)计算而得，若已经存在该EPT页表项，即is_rmap_spte(*sptep)为真，说明要更新页表结构，覆盖掉原来的页表项内容。

if (is_rmap_spte(*sptep)) {
/*
* If we overwrite a PTE page pointer with a 2MB PMD, unlink
* the parent of the now unreachable PTE.
*/
if (level > PT_PAGE_TABLE_LEVEL &&
   !is_large_pte(*sptep)) {
struct kvm_mmu_page *child;
u64 pte = *sptep;


child = page_header(pte & PT64_BASE_ADDR_MASK);
mmu_page_remove_parent_pte(child, sptep);
__set_spte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
} else if (pfn != spte_to_pfn(*sptep)) {
pgprintk("hfn old %lx new %lx\n",
spte_to_pfn(*sptep), pfn);
drop_spte(vcpu->kvm, sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
} else
was_rmapped = 1;
}

//设置页表项后，刷新TLB
if (set_spte(vcpu, sptep, pte_access, user_fault, write_fault,
     dirty, level, gfn, pfn, speculative, true,
     reset_host_protection)) {
if (write_fault)
*ptwrite = 1;
kvm_mmu_flush_tlb(vcpu);
}

若对应页表项不存在，即*iterator.sptep == shadow_trap_nonpresent_pte，则创建该level的EPT页表项，执行如下：
3. kvm_mmu_get_page，分配一个EPT页表页，即kvm_mmu_page结构
4. __set_spte，设置页表项

References:

1.http://blog.stgolabs.net/2012/03/kvm-virtual-x86-mmu-setup.html

2.贴一篇好文章，配合视频讲解，方便理解http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1346286&picked=formats