Qemu vhost 原理分析

Gao Chengbo 创作于 2020/05/26

By Chengbo of TinyLab.org May 13, 2020

技术简介

virtio-net 简介

virtio-net 在 guest 前端驱动 kick 后端驱动时，采用 I/O 指令方式退出到 host KVM。kvm 通过 eventfd_signal 唤醒阻塞的 qemu 线程。qemu 通过 vring 处理报文。qemu 把报文从用户态传送给 tap 口。

vhost-net 简介

与 virtio-net 不同的是，eventfd_signal 唤醒的是内核 vhost_worker 进程。vhost_worker 从 vring 提取报文数据，然后发送给 tap。与 virtio-net 相比，vhost-net 处理数据在内核态，在发送到 tap 口的时候少了一次数据的拷贝。

ovs 转发涉及的模块概要

VM->VM 流程：

VM-VM 流程

virtio-net.ko 前端驱动部分

guest->host 数据发送

当前端 virtio-net 有想发送的报文数据时将会 kick 后端，右面是前端 kick 后端的流程。前端调用 xmit_skb 发送数据，virtqueue_add_outbuf 是把 sk_buff 里的内容(frag[]数组)逐一的填入 scatterlist 数组中。这里可以理解成填写分散聚合描述符表。

但前端和后端数据传递是通过 struct vring_desc 传递的，所以 virtqueue_add() 再把 struct scatterlist 里的数据填写到 struct vring_desc 里。

struct vring_desc 这个数据结构的使用，后面我们再详细说。

最后通过 vq->notify(&vq->vq) (vp_notify()) kick 后端，后续流程到了 kvm.ko 部分的第 4 小节。

guest->host 代码流程

virtio-net 前端 guest-host 流程

host->guest 数据发送

guest 通过 NAPI 接口的 virtnet_poll 接收数据，通过 virtqueue_get_buf_ctx 从 Vring 中获取报文数据。再通过 receive_buf 把报文数据保存到 skb 中。

这样目的端就成功接收了来自源端的报文。

host->guest 代码流程

virtio-net 前端 host->guest 代码流程

kvm.ko 部分

eventfd 注册

kvm.ko eventfd 注册流程

由上图可见 eventfd 的注册是在 qemu 中发起的。qemu 调用 kvm 提供的系统调用。

eventfd 通知流程

eventfd 一半的用法是用户态通知用户态，或者内核态通知用户态。例如 virtio-net 的实现是 guest 在 kick host 时采用 eventfd 通知的 qemu，然后 qemu 在用户态做报文处理。但 vhost-net 是在内核态进行报文处理，guest 在 kick host 时采用 eventfd 通知的是内核线程 vhost_worker。所以这里的用法就跟常规的 eventfd 的用法不太一样。

下面介绍 eventfd 通知的使用。

eventfd 核心数据结构：

struct eventfd_ctx {
	struct kref kref;
	wait_queue_head_t wqh;
	__u64 count;
	unsigned int flags;
};

eventfd 的数据结构其实就是包含了一个等待队列头。当调用 eventfd_signal 函数时就是唤醒 wgh 上等待队列。

__u64 eventfd_signal(struct eventfd_ctx *ctx, __u64 n)
{
	unsigned long flags;

	spin_lock_irqsave(&ctx->wqh.lock, flags);
	if (ULLONG_MAX - ctx->count < n)
		n = ULLONG_MAX - ctx->count;
	ctx->count += n;
	if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
		wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLIN);
	spin_unlock_irqrestore(&ctx->wqh.lock, flags);

	return n;
}
#define wake_up_locked_poll(x, m)						\
	__wake_up_locked_key((x), TASK_NORMAL, (void *) (m))

void __wake_up_locked_key(struct wait_queue_head *wq_head, unsigned int mode, void *key)
{
	__wake_up_common(wq_head, mode, 1, 0, key, NULL);
}
static int __wake_up_common(struct wait_queue_head *wq_head, unsigned int mode,
			int nr_exclusive, int wake_flags, void *key,
			wait_queue_entry_t *bookmark)
{
	...
	list_for_each_entry_safe_from(curr, next, &wq_head->head, entry) {
		unsigned flags = curr->flags;
		int ret;

		if (flags & WQ_FLAG_BOOKMARK)
			continue;

		ret = curr->func(curr, mode, wake_flags, key);     /* 调用vhost_poll_wakeup */
		if (ret < 0)
			break;
		if (ret && (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
			break;

		if (bookmark && (++cnt > WAITQUEUE_WALK_BREAK_CNT) &&
				(&next->entry != &wq_head->head)) {
			bookmark->flags = WQ_FLAG_BOOKMARK;
			list_add_tail(&bookmark->entry, &next->entry);
			break;
		}
	}
	return nr_exclusive;
}

static int vhost_poll_wakeup(wait_queue_entry_t *wait, unsigned mode, int sync,
			     void *key)
{
	struct vhost_poll *poll = container_of(wait, struct vhost_poll, wait);

	if (!((unsigned long)key & poll->mask))
		return 0;

	vhost_poll_queue(poll);
	return 0;
}

void vhost_poll_queue(struct vhost_poll *poll)
{
	vhost_work_queue(poll->dev, &poll->work);
}

void vhost_work_queue(struct vhost_dev *dev, struct vhost_work *work)
{
	if (!dev->worker)
		return;

	if (!test_and_set_bit(VHOST_WORK_QUEUED, &work->flags)) {
		/* We can only add the work to the list after we're
		 * sure it was not in the list.
		 * test_and_set_bit() implies a memory barrier.
		 */
		llist_add(&work->node, &dev->work_list);      /* 添加到 dev->work_list)*/
		wake_up_process(dev->worker);              /* 唤醒vhost_worker线程 */
	}
}

这里有一个疑问，就是 vhost_worker 什么时候加入到 eventfd 的 wgh 字段的，__wake_up_common 函数里 curr->func 又是什么时候被设置成 vhost_poll_wakeup 函数的呢？请看下一节。

eventfd 与 vhost_worker 绑定

vhost.ko 创建了一个字符设备，vhost_net_open 在打开这个设备文件的时候会调用 vhost_net_open 函数。这里为 vhost_dev 设备进行初始化。

static int vhost_net_open(struct inode *inode, struct file *f)
{
...
	dev = &n->dev;
	vqs[VHOST_NET_VQ_TX] = &n->vqs[VHOST_NET_VQ_TX].vq;
	vqs[VHOST_NET_VQ_RX] = &n->vqs[VHOST_NET_VQ_RX].vq;
	n->vqs[VHOST_NET_VQ_TX].vq.handle_kick = handle_tx_kick;
	n->vqs[VHOST_NET_VQ_RX].vq.handle_kick = handle_rx_kick;
...
	vhost_poll_init(n->poll + VHOST_NET_VQ_TX, handle_tx_net, POLLOUT, dev);
	vhost_poll_init(n->poll + VHOST_NET_VQ_RX, handle_rx_net, POLLIN, dev);

	f->private_data = n;

	return 0;
}

void vhost_poll_init(struct vhost_poll *poll, vhost_work_fn_t fn,
		     unsigned long mask, struct vhost_dev *dev)
{
	init_waitqueue_func_entry(&poll->wait, vhost_poll_wakeup);    /* 给curr->fn赋值 vhost_poll_wakeup */
	init_poll_funcptr(&poll->table, vhost_poll_func);              /* 给poll_table->_qproc赋值vhost_poll_func */
	poll->mask = mask;
	poll->dev = dev;
	poll->wqh = NULL;

	vhost_work_init(&poll->work, fn);                         /* 给 work->fn 赋值为handle_tx_net和handle_rx_net */
}

qemu 使用 ioctl 系统调用 VHOST_SET_VRING_KICK 时会把 eventfd 的 struct file 指针付给 pollstart 和 pollstop，同时调用 vhost_poll_start()。

long vhost_vring_ioctl(struct vhost_dev *d, int ioctl, void __user *argp)
{
...
	case VHOST_SET_VRING_KICK:
		if (copy_from_user(&f, argp, sizeof f)) {
			r = -EFAULT;
			break;
		}
		eventfp = f.fd == -1 ? NULL : eventfd_fget(f.fd);
		if (IS_ERR(eventfp)) {
			r = PTR_ERR(eventfp);
			break;
		}
		if (eventfp != vq->kick) {
			pollstop = (filep = vq->kick) != NULL;
			pollstart = (vq->kick = eventfp) != NULL;
		} else
			filep = eventfp;
		break;
...
	if (pollstart && vq->handle_kick)
		r = vhost_poll_start(&vq->poll, vq->kick);
...
}

int vhost_poll_start(struct vhost_poll *poll, struct file *file)
{
	unsigned long mask;
	int ret = 0;

	if (poll->wqh)
		return 0;

	mask = file->f_op->poll(file, &poll->table);                 /* 执行eventfd_poll */
	if (mask)
		vhost_poll_wakeup(&poll->wait, 0, 0, (void *)mask);
	if (mask & POLLERR) {
		vhost_poll_stop(poll);
		ret = -EINVAL;
	}

	return ret;
}

static unsigned int eventfd_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
	struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
	unsigned int events = 0;
	u64 count;

	poll_wait(file, &ctx->wqh, wait);
。。。
}
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
	if (p && p->_qproc && wait_address)
		p->_qproc(filp, wait_address, p);                 /* 调用vhost_poll_func */
}
static void vhost_poll_func(struct file *file, wait_queue_head_t *wqh,
			    poll_table *pt)
{
	struct vhost_poll *poll;

	poll = container_of(pt, struct vhost_poll, table);
	poll->wqh = wqh;
	add_wait_queue(wqh, &poll->wait);
}

关键数据结构关系如下图：

kvm.ko eventfd 关键数据结构

guest->host 的通知流程（唤醒 vhost_worker 线程）

Kick host 的原理是通过 io 指令实现的。前端执行 io 指令，就会发生 vm exit。KVM 捕捉到 vm exit 会去查询退出原因，由于是 io 指令，所以执行对应的 handle_io 处理。handle_io() 从 exit_qualification 中得到 io 操作地址。kvm_fast_pio_out() 会根据 io 操作的地址找到对应的处理函数。第 1 小节 eventfd 注册的流程可知，kvm_fast_pio_out() 最终会调用 eventfd 对应的回调函数 ioeventfd_write()。再根据第 3 小节可知 eventfd 最终会唤醒 vhost_worker 内核进程。

kvm.ko guest 到 host 的通知流程

流程进入 vhost.ko 的第3小节。

host 给 guest 注入中断

到目前位置，发送给 guest 的报文已经准备好了。通过注入中断通知 guest 接收报文。这里要为虚机的 virtio-net 设备模拟一个 MSI 中断，并且准备了中断向量号。调用 vmx_deliver_posted_interrupt 给目的 VCPU 线程所在的物理核注入终端。

流程将跳转到 virtio-net.ko 前端驱动的第3小节。

host 给 guest 注入中断代码流程

kvm.ko hos t给 guest 注入中断

vhost.ko 部分

前面有提到 vhost_worker 线程被唤醒后将执行 vhost_poll_init() 函数这册的 handle_tx_net 和 handle_rx_net 函数。

vhost_worker 线程创建

long vhost_dev_set_owner(struct vhost_dev *dev)
{
...
	/* No owner, become one */
	dev->mm = get_task_mm(current);
	worker = kthread_create(vhost_worker, dev, "vhost-%d", current->pid);
	if (IS_ERR(worker)) {
		err = PTR_ERR(worker);
		goto err_worker;
	}

	dev->worker = worker;
	wake_up_process(worker);	/* avoid contributing to loadavg */

	err = vhost_attach_cgroups(dev);
	if (err)
		goto err_cgroup;

	err = vhost_dev_alloc_iovecs(dev);
	if (err)
		goto err_cgroup;
...
}

让 vhost-dev 的 worker 指向刚创建出的 worker 线程。

vhost_worker 实现

static int vhost_worker(void *data)
{
	struct vhost_dev *dev = data;
	struct vhost_work *work, *work_next;
	struct llist_node *node;
	mm_segment_t oldfs = get_fs();

	set_fs(USER_DS);
	use_mm(dev->mm);

	for (;;) {
		/* mb paired w/ kthread_stop */
		set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

		if (kthread_should_stop()) {
			__set_current_state(TASK_RUNNING);
			break;
		}

		node = llist_del_all(&dev->work_list);				/*vhost_work_queue 添加 */
		if (!node)
			schedule();

		node = llist_reverse_order(node);
		/* make sure flag is seen after deletion */
		smp_wmb();
		llist_for_each_entry_safe(work, work_next, node, node) {
			clear_bit(VHOST_WORK_QUEUED, &work->flags);
			__set_current_state(TASK_RUNNING);
			work->fn(work);             /* 由vhost_poll_init赋值 handle_tx_net和handle_rx_net*/
			if (need_resched())
				schedule();
		}
	}
	unuse_mm(dev->mm);
	set_fs(oldfs);
	return 0;
}

从代码可以看到在循环的开始部分是摘除 dev->work_list 链表中的头表项。这里如果链表为空则返回 NULL，如果链表不为空则返回头结点。如果链表为空则调用 schedule() 函数 vhost_worker 进程进入阻塞状态，等待被唤醒。

当 vhost_worker 被唤醒后将执行 fn 函数，对于 vhost-net 将被赋值为 handle_tx_net 和 handle_rx_net。

从 guest->host 方向的发送报文函数 handle_tx_net

handle_tx_net 的代码逻辑比较短，里面直接调用了 tun.ko 的接口函数发送报文。流程走到了 tun.ko 章节的第1小节。

static void handle_tx_net(struct vhost_work *work)
{
	struct vhost_net *net = container_of(work, struct vhost_net,
					     poll[VHOST_NET_VQ_TX].work);
	handle_tx(net);
}
static void handle_tx(struct vhost_net *net)
{
...
	for (;;) {
		...
		/* TODO: Check specific error and bomb out unless ENOBUFS? */
		err = sock->ops->sendmsg(sock, &msg, len);       /* tup.c中定义 tup_sendmsg ()*/
		if (unlikely(err < 0)) {
		...
	}
out:
	mutex_unlock(&vq->mutex);
}

guest->host 代码流程

vhost.ko guest 到 host 部分代码流程

从 host->guest 方向的接收

vhost-worker 进程调用 handle_rx_net。vhost_add_used_and_signal_n 负责从 vring 中接收报文，vhost_signal 函数通知 guest 报文的到来。目前都是通过注入中断的方式通知 guest。流程将跳转到 kvm.ko 的第5小节。

host->guest 代码流程

host->guest 方向：

vhost.ko host 到 guest 部分代码流程

tun.ko 部分

报文发送处理流程

tun.ko 报文发送处理流程

tun 模块首先通过调用 __napi_schedue() 接口去挂起 NET_RX_SOFTIRQ 软中断的，并且调度的是 sd->backlog 这个 struct napi。然后在 tun_rx_batched() 函数在使能中断下半部时会调用 do_softirq()，从而执行刚刚挂起的 NET_RX_SOFTIRQ 对应的 net_rx_action 软中断响应函数 net_rx_aciton。net_rx_action 会执行 sd->backlog 对应的 napi 接口函数。process_backlog 是内核的 netdev 在初始化时在每 CPU 变量中填入的 struct napi_struct 结构体。最后从 process_backlog 执行到 openvswitch 注册的 hook 函数 netdev_frame_hook (openvswitch.ko 第 2小节)。

流程将跳转到 openvswitch.ko 第3小节。

process_backlog 的注册

static int __init net_dev_init(void)
{
	int i, rc = -ENOMEM;
…
	for_each_possible_cpu(i) {                                /* 遍历各个CPU的每CPU变量 */
		struct work_struct *flush = per_cpu_ptr(&flush_works, i);
		struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);        /* sd是个每CPU变量 */

		INIT_WORK(flush, flush_backlog);

		skb_queue_head_init(&sd->input_pkt_queue);
		skb_queue_head_init(&sd->process_queue);
		INIT_LIST_HEAD(&sd->poll_list);
		sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;
#ifdef CONFIG_RPS
		sd->csd.func = rps_trigger_softirq;
		sd->csd.info = sd;
		sd->cpu = i;
#endif

		sd->backlog.poll = process_backlog;      /* 定义napi_struct的poll函数 */
		sd->backlog.weight = weight_p;
	}

…
	if (register_pernet_device(&loopback_net_ops))
		goto out;

	if (register_pernet_device(&default_device_ops))
		goto out;

	open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);      /* 设置软中断NET_TX_SOFTIRQ的响应函数 */
	open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);      /*设置软中断NET_RX_SOFTIRQ的响应函数 */

	rc = cpuhp_setup_state_nocalls(CPUHP_NET_DEV_DEAD, "net/dev:dead",
				       NULL, dev_cpu_dead);
	WARN_ON(rc < 0);
	rc = 0;
out:
	return rc;
}

openvswitch 部分

openvswitch.ko 作为 openvswitch 的一个内核模块内核态报文的接收和转发。通过给 tun 设备挂接 hook 函数，来处理 tun 接收和发送的报文。在创建虚机时给虚机分配的 vnet 口会暴露给 host，我们一般通过 xml 文件指定到桥入那个 ovs 网桥。在桥入的时候，用户态代码通过 netlink 与 openvswitch.ko 进行通信。把 vnet 口桥入 ovs 网桥时会给 vnet 这个设备挂 netdev_frame_hook 钩子函数。

netlink 注册

当 ovs 添加一个 vport 时会通过 netlink 发送到 openvswitch.ko，openvswitch 注册的 netlink 处理函数负责处理相关命令。

static struct genl_ops dp_vport_genl_ops[] = {
	{ .cmd = OVS_VPORT_CMD_NEW,
	  .flags = GENL_UNS_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */
	  .policy = vport_policy,
	  .doit = ovs_vport_cmd_new            /* OVS_VPORT_CMD_NEW消息的 */
	},
	{ .cmd = OVS_VPORT_CMD_DEL,
	  .flags = GENL_UNS_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */
	  .policy = vport_policy,
	  .doit = ovs_vport_cmd_del
	},
	{ .cmd = OVS_VPORT_CMD_GET,
	  .flags = 0,		    /* OK for unprivileged users. */
	  .policy = vport_policy,
	  .doit = ovs_vport_cmd_get,
	  .dumpit = ovs_vport_cmd_dump
	},
	{ .cmd = OVS_VPORT_CMD_SET,
	  .flags = GENL_UNS_ADMIN_PERM, /* Requires CAP_NET_ADMIN privilege. */
	  .policy = vport_policy,
	  .doit = ovs_vport_cmd_set,
	},
};
struct genl_family dp_vport_genl_family __ro_after_init = {
	.hdrsize = sizeof(struct ovs_header),
	.name = OVS_VPORT_FAMILY,
	.version = OVS_VPORT_VERSION,
	.maxattr = OVS_VPORT_ATTR_MAX,
	.netnsok = true,
	.parallel_ops = true,
	.ops = dp_vport_genl_ops,
	.n_ops = ARRAY_SIZE(dp_vport_genl_ops),
	.mcgrps = &ovs_dp_vport_multicast_group,
	.n_mcgrps = 1,
	.module = THIS_MODULE,
};
static struct genl_family *dp_genl_families[] = {
	&dp_datapath_genl_family,
	&dp_vport_genl_family,
	&dp_flow_genl_family,
	&dp_packet_genl_family,
	&dp_meter_genl_family,
};
static int __init dp_register_genl(void)
{
	int err;
	int i;
	for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(dp_genl_families); i++) {
		err = genl_register_family(dp_genl_families[i]);    注册netlink处理函数
		if (err)
			goto error;
	}
	return 0;
error:
	dp_unregister_genl(i);
	return err;
}

netdev_frame_hook 函数的注册

openvswitch.ko netdev_frame_hook 函数的注册

ovs 对报文的转发流程

OVS 首先通过 key 值找到对应的流表，然后转发到对应的端口。这篇文章的重点是讲解 vhost 的流程，OVS 具体流程并不是我们的讲解的重点。所以这方面有什么疑问请大家自行搜索一下 OVS 的资料。

这段代码的大体目的就是找到目的虚机所在的端口，也就是目的虚机所在的 vnet 端口。

openvswitch.ko ovs 对报文的转发流程

流程跳转到内核部分第1小节。

内核部分

发送报文唤醒目的端的 vhost-worker 进程

内核的发送函数 __dev_queue_xmit 将会找到 vnet 设备对应的等待队列，并唤醒等待队列里对应的进程。这里将唤醒的进程就是 vhost_worker 进程了。

[置顶] 泰晓 RISC-V 实验箱，配套 30+ 讲嵌入式 Linux 系统开发公开课

[置顶] Linux Lab v1.4 升级部分内核到 v6.10，新增泰晓 RISC-V 实验箱支持，新增最小化内核配置支持大幅提升内核编译速度，在单终端内新增多窗口调试功能等Linux Lab 发布 v1.4 正式版，升级部分内核到 v6.10，新增泰晓实验箱支持

[置顶] 泰晓社区近日发布了一款儿童益智版 Linux 系统盘，集成了数十个教育类与益智游戏类开源软件国内首个儿童 Linux 系统来了，既可打字编程学习数理化，还能下棋研究数独提升智力

Qemu vhost 原理分析

技术简介

virtio-net 简介

vhost-net 简介

ovs 转发涉及的模块概要

virtio-net.ko 前端驱动部分

guest->host 数据发送

guest->host 代码流程

host->guest 数据发送

host->guest 代码流程

kvm.ko 部分

eventfd 注册

eventfd 通知流程

eventfd 与 vhost_worker 绑定

guest->host 的通知流程（唤醒 vhost_worker 线程）

host 给 guest 注入中断

host 给 guest 注入中断代码流程

vhost.ko 部分

vhost_worker 线程创建

vhost_worker 实现

从 guest->host 方向的发送报文函数 handle_tx_net

guest->host 代码流程

从 host->guest 方向的接收

host->guest 代码流程

tun.ko 部分

报文发送处理流程

process_backlog 的注册

openvswitch 部分

netlink 注册

netdev_frame_hook 函数的注册

ovs 对报文的转发流程

内核部分

发送报文唤醒目的端的 vhost-worker 进程

代码流程

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