qemu 對虛機的地址空間管理

轉載：http://huchh.com/2015/06/22/qemu-%E5%AF%B9%E8%99%9A%E6%9C%BA%E7%9A%84%E7%BA%BF%E6%80%A7%E5%9C%B0%E5%9D%80%E7%A9%BA%E9%97%B4%E7%AE%A1%E7%90%86/

前言

cpu有兩個地址空間：io 地址空間和內存地址空間。io地址空間是給設備用的，平時說設備占有哪些端口，指的就是io地址空間里的地址。內存地址空間相對比較復雜，這個地址空間被DRAM，設備和Flash rom等使用，最終呈現給cpu的是一個線性地址空間。

附：平時編程說的物理地址指的是內存地址空間的地址，不要誤認為這個地址一定是物理內存，譬如3G以上的物理地址很可能對應的是某個PCI設備。

什么是線性地址空間，鑒於不同的地方對這個名詞有不同的解釋，先在文章的開頭申明一下，本文說的線性地址空間指的是從cpu的角度看到的一段連續的可以訪問的地址空間，其中包括了真正的物理內存RAM，PCI地址空間，還有一些設備的ROM占據的地址空間，這些地址空間互相重疊最后呈現給cpu的是一個統一的線性的地址空間。
附上兩張圖：

  

 

這兩圖截自兩篇系列文章： System Address Map Initialization in x86/x64 Architecture Part 1: PCI-Based Systems System Address Map Initialization in x86/x64 Architecture Part 2: PCI Express-Based Systems 這兩篇文章詳細解釋了pci和pcie設備在系統地址里的映射，對於理解線性地址空間和pci設備有很好的幫助，強烈建議仔細閱讀。

qemu維護地址空間

qemu負責模擬虛機的外設，因此虛機的線性地址空間主要由qemu進行管理，也就是確定線性地址空間中哪段地址屬於哪個設備或者DRAM或者其他的什么。通過qemu的monitor可以查看運行中的虛機的地址空間，如果用libvirt啟動的話，可以這樣查看： 

virsh qemu-monitor-command –hmpinfo mtree 

注： qemu源碼里有一篇文檔介紹了qemu的虛機內存管理 Docs/memory.txt 

address space 和 memory region

在qemu里有幾個重要的數據結構來維護虛機的線性地址空間： AddressSpace, MemoryRegion, FlatView, MemoryListener等。
在memory_map_init 中可以看到對兩個最重要的address space的初始化: address_space_memory 和 address_space_io

static void memory_map_init(void)

{

    system_memory = g_malloc(sizeof(*system_memory));

    memory_region_init(system_memory, NULL, "system", UINT64_MAX);

    //每個address space 都有個root memory region

    address_space_init(&address_space_memory, system_memory, "memory");

    system_io = g_malloc(sizeof(*system_io));

    memory_region_init_io(system_io, NULL, &unassigned_io_ops, NULL, "io",

                          65536);

    address_space_init(&address_space_io, system_io, "I/O");

    memory_listener_register(&core_memory_listener, &address_space_memory);

}

address_space_memory其實就是虛機的線性地址空間（設備的mmio分布在這個地址空間），address_space_io是虛機的io地址空間（設備的io port就分布在這個地址空間里）。
不管是DRAM還是設備的資源都要通過memory region添加到address space里。

DRAM的memory region

DRAM的memory_region初始化在pc_memory_init里可以看到：

FWCfgState *pc_memory_init(MachineState *machine,

                           MemoryRegion *system_memory,

                           ram_addr_t below_4g_mem_size,

                           ram_addr_t above_4g_mem_size,

                           MemoryRegion *rom_memory,

                           MemoryRegion **ram_memory,

                           PcGuestInfo *guest_info)

{

    ...

    ram = g_malloc(sizeof(*ram));

    memory_region_allocate_system_memory(ram, NULL, "pc.ram",

                                         machine->ram_size);

    *ram_memory = ram;

    ram_below_4g = g_malloc(sizeof(*ram_below_4g));

    memory_region_init_alias(ram_below_4g, NULL, "ram-below-4g", ram,

                             0, below_4g_mem_size);

    //ram-below-4g到4G之間的地址主要是留給PCI設備的mmio地址使用

    memory_region_add_subregion(system_memory, 0, ram_below_4g);

    e820_add_entry(0, below_4g_mem_size, E820_RAM);

    if (above_4g_mem_size > 0) {

        ram_above_4g = g_malloc(sizeof(*ram_above_4g));

        memory_region_init_alias(ram_above_4g, NULL, "ram-above-4g", ram,

                                 below_4g_mem_size, above_4g_mem_size);

        memory_region_add_subregion(system_memory, 0x100000000ULL,

                                    ram_above_4g);

        e820_add_entry(0x100000000ULL, above_4g_mem_size, E820_RAM);

    }

    ...

}

legacy devices的地址一般是固定的，在設備初始化的時候就可以通過memory_region_add_subregion加入到地址空間的確切位置。 

pci設備的memory region

PCI設備的資源在地址空間中的偏移是動態不確定的，一般PCI設備需要的memory region對應的就是bar，一開始初始化memory region，然后用pci_register_bar注冊bar。那么到底在什么地方將bar對應的memory region添加到address space里呢？
看一下pci_update_mappings函數：

static void pci_update_mappings(PCIDevice *d)

{

    ...

    for(i = 0; i < PCI_NUM_REGIONS; i++) { r = &d->io_regions[i];

        ...

        new_addr = pci_bar_address(d, i, r->type, r->size);

        /* This bar isn't changed */

        if (new_addr == r->addr)

            continue;

        /* now do the real mapping */

        if (r->addr != PCI_BAR_UNMAPPED) {

            trace_pci_update_mappings_del(d, pci_bus_num(d->bus),

                                          PCI_FUNC(d->devfn),

                                          PCI_SLOT(d->devfn),

                                          i, r->addr, r->size);

            memory_region_del_subregion(r->address_space, r->memory);

        }

        r->addr = new_addr;

        if (r->addr != PCI_BAR_UNMAPPED) {

            trace_pci_update_mappings_add(d, pci_bus_num(d->bus),

                                          PCI_FUNC(d->devfn),

                                          PCI_SLOT(d->devfn),

                                          i, r->addr, r->size);

            /*r->address_space的賦值在pci_register_bar里完成*/

            memory_region_add_subregion_overlap(r->address_space,

                                                r->addr, r->memory, 1);

        }

    }

    ...

}

void pci_register_bar(PCIDevice *pci_dev, int region_num,

                      uint8_t type, MemoryRegion *memory)

{

    ...

    pci_dev->io_regions[region_num].address_space

        = type & PCI_BASE_ADDRESS_SPACE_IO

        ? pci_dev->bus->address_space_io

        : pci_dev->bus->address_space_mem;

}

pci bus 的address_space_io和address_space_mem又是在哪里定義的？

static void pc_init1()

{

    ...

    MemoryRegion *system_io = get_system_io();

    ...

    if (pci_enabled) {

        pci_memory = g_new(MemoryRegion, 1);

        memory_region_init(pci_memory, NULL, "pci", UINT64_MAX);

        rom_memory = pci_memory;

    }

    ...

    if (pci_enabled) {

        pci_bus = i440fx_init(&i440fx_state, &piix3_devfn, &isa_bus, gsi,

                              system_memory, system_io, machine->ram_size,

                              below_4g_mem_size,

                              above_4g_mem_size,

                              pci_memory, ram_memory);

    }

    ...

}

PCIBus *i440fx_init(PCII440FXState **pi440fx_state,

                    int *piix3_devfn,

                    ISABus **isa_bus, qemu_irq *pic,

                    MemoryRegion *address_space_mem,

                    MemoryRegion *address_space_io,

                    ram_addr_t ram_size,

                    ram_addr_t below_4g_mem_size,

                    ram_addr_t above_4g_mem_size,

                    MemoryRegion *pci_address_space,

                    MemoryRegion *ram_memory)

{

    ...

    b = pci_bus_new(dev, NULL, pci_address_space,

                    address_space_io, 0, TYPE_PCI_BUS);

    ...

    /* setup pci memory mapping */

    pc_pci_as_mapping_init(OBJECT(f), f->system_memory,

                           f->pci_address_space);

    ...

}

PCIBus *pci_bus_new(DeviceState *parent, const char *name,

                    MemoryRegion *address_space_mem,

                    MemoryRegion *address_space_io,

                    uint8_t devfn_min, const char *typename)

{

    ...

    pci_bus_init(bus, parent, name, address_space_mem,

                 address_space_io, devfn_min);

}

static void pci_bus_init(PCIBus *bus, DeviceState *parent,

                         const char *name,

                         MemoryRegion *address_space_mem,

                         MemoryRegion *address_space_io,

                         uint8_t devfn_min)

{

    ...

    bus->address_space_mem = address_space_mem;

    bus->address_space_io = address_space_io;

    ...

}

void pc_pci_as_mapping_init(Object *owner, MemoryRegion *system_memory,

                            MemoryRegion *pci_address_space)

{

    /* Set to lower priority than RAM */

    memory_region_add_subregion_overlap(system_memory, 0x0,

                                        pci_address_space, -1);

}

從上面的代碼片段可以看出pci bus的address_space_io就是address_space_io的root memory region，而address_space_mem是新建的一個屬於pci設備的總的memory region，在pc_pci_as_mapping_init里將pci_address_space以-1的優先級加入到system_memory里，將pci設備的地址空間和線性地址空間進行統一。
而每個pci設備在pci_update_mappings里將他們的bar作為sub memory region加入到其附屬的pci總線的address_space_io或者address_space_mem里，其實就是添加到統一的io地址空間或者內存地址空間（線性地址空間）。 

回顧一下pci_update_mappings，它是在pci_default_write_config里被調用的，而大部分pci設備寫config space的時候都會調用到pci_default_write_config，也就是說虛機的fireware或者OS確定了bar的基地址后，更新config space，然后bar就會正式添加到io地址空間或者線性地址空間，在此之前，qemu里的pci設備只是定義了bar，相當於准備好了硬件，但是還不能在地址空間里看到pci設備的bar。

內部細節

有關地址空間分布的api內部有一些細節挺繞的，當初也花了一些時間來理解，這里記錄一些認為比較關鍵的函數點，權充日后按圖索驥之用，並不會詳細地展開每個函數。

​鎖的存在

memory_region_add_subregion這樣的函數會更新memory region內部的數據結構，可以從代碼上看明顯沒有鎖的存在，難道這個函數確保不會被並發訪問嗎？ 當然不是，在主線程和vcpu線程都可能會更新設備的memory region，因此這類函數一定存在並發使用的可能。那么同步措施到底在哪里做的呢？

關鍵在qemu_mutex_lock_iothread這個函數，從下面的代碼可以看到這個函數其實就是鎖住了一把全局鎖。

void qemu_mutex_lock_iothread(void)

{

    atomic_inc(&iothread_requesting_mutex);

    if (!tcg_enabled() || !first_cpu || !first_cpu->thread) {

        qemu_mutex_lock(&qemu_global_mutex);

        atomic_dec(&iothread_requesting_mutex);

    } else {

        if (qemu_mutex_trylock(&qemu_global_mutex)) {

            qemu_cpu_kick_thread(first_cpu);

            qemu_mutex_lock(&qemu_global_mutex);

        }

        atomic_dec(&iothread_requesting_mutex);

        qemu_cond_broadcast(&qemu_io_proceeded_cond);

    }

}

這個函數在vcpu線程里使用：

int kvm_cpu_exec(CPUState *)

{

    ...

    qemu_mutex_unlock_iothread();

    run_ret = kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN, 0);

    qemu_mutex_lock_iothread();

    ...

    一些io 處理的事情，可能會更新地址空間

}

可以看到整個線程除了進入kvm沒有加鎖，其他時候都會加鎖。也就是說vcpu線程里處理io事件的時候是會持有這把鎖的。

再看看這把鎖在qemu里的應用：

在os_host_main_loop_wait里有這把鎖的存在：

static int os_host_main_loop_wait(int64_t timeout)

{

    ...

     if (timeout) {

        spin_counter = 0;

        qemu_mutex_unlock_iothread();

    } else {

        spin_counter++;

    }

    ret = qemu_poll_ns((GPollFD *)gpollfds->data, gpollfds->len, timeout);

    if (timeout) {

        qemu_mutex_lock_iothread();

    }

    ...

}

可以看出，除了poll的時候釋放了鎖，其他時候會占有鎖。而os_host_main_loop_wait這個函數是主線程里循環等待事件的函數節點，

main_loop ()

{

     do {

        ...

        last_io = main_loop_wait(nonblocking);

        ...

    } while (!main_loop_should_exit());

}

main_loop_wait()

{

    ...

    ret = os_host_main_loop_wait(timeout_ns);

    qemu_iohandler_poll(gpollfds, ret);

    ...

    qemu_clock_run_all_timers();

}

所以主線程里每次處理io事件的時候也會獲取這把鎖，這時候就可以解釋memory region的更新函數里為什么沒有看見鎖了，因此實際上用的是這一把全局鎖。

memory_region_transaction_begin和memory_region_transaction_commit

在每個更新memory region的函數里都能看到這兩個函數對，這兩個函數對干什么呢？

void memory_region_transaction_begin(void)

{

    qemu_flush_coalesced_mmio_buffer();

    ++memory_region_transaction_depth;

}

void memory_region_transaction_commit(void)

{

    --memory_region_transaction_depth;

    if (!memory_region_transaction_depth) {

        地址空間的更新

    }

}

函數對的關鍵其實是memory_region_transaction_depth的計數，也就是說這兩個函數對允許遞歸調用，在一個函數對內部可以再調用多個函數對，只要函數數量是配對的，那么只有等到最外層memory_region_transaction_commit才會開始地址空間的更新。為什么需要這樣做呢，這是因為每次更新地址空間的花銷是比較大的，如果把多個memory region的更新操作放在一起執行，那么最終只會產生一次地址空間的更新，這是很划算的。

在ich9.c里找到了這樣的一個例子：

void ich9_pm_iospace_update(ICH9LPCPMRegs *pm, uint32_t pm_io_base)

{

    ICH9_DEBUG("to 0x%x\n", pm_io_base);

    assert((pm_io_base & ICH9_PMIO_MASK) == 0);

    pm->pm_io_base = pm_io_base;

    memory_region_transaction_begin();

    memory_region_set_enabled(&pm->io, pm->pm_io_base != 0);

    memory_region_set_address(&pm->io, pm->pm_io_base);

    memory_region_transaction_commit();

}

memory_listener

地址空間里有個比較重要的數據結構是memory listner，這個數據結構里可以存放一些回調函數，顧名思義，回調函數被調用的時機就是地址空間發生變動的時候。譬如在memory_region_transaction_commit里可以看到對begin和commit的調用，而在address_space_update_topology_pass里可以看到對region_add，region_del，region_nop的調用。

struct MemoryListener {

    void (*begin)(MemoryListener *listener);

    void (*commit)(MemoryListener *listener);

    void (*region_add)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*region_del)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*region_nop)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*log_start)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*log_stop)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*log_sync)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section);

    void (*log_global_start)(MemoryListener *listener);

    void (*log_global_stop)(MemoryListener *listener);

    void (*eventfd_add)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section,

                        bool match_data, uint64_t data, EventNotifier *e);

    void (*eventfd_del)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section,

                        bool match_data, uint64_t data, EventNotifier *e);

    void (*coalesced_mmio_add)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section,

                               hwaddr addr, hwaddr len);

    void (*coalesced_mmio_del)(MemoryListener *listener, MemoryRegionSection *section,

                               hwaddr addr, hwaddr len);

    /* Lower = earlier (during add), later (during del) */

    unsigned priority;

    AddressSpace *address_space_filter;

    QTAILQ_ENTRY(MemoryListener) link;

};

比較重要的memory_listner有kvm_memory_listener，kvm_io_listener，dispatch_listener。kvm相關的兩個listner比較明顯，用意就是在qemu的地址空間發生變動的時候通過回調函數通知到kvm。

dispatch_listener的初始化在address_space_init_dispatch，它在每個地址空間里都存在，用意是在地址空間發生變動的時候，通過內部的數據結構記錄這種變化，以此得知地址空間里每一段地址應該屬於哪個memory region，這樣當虛機有io操作需要在qemu里完成的時候，也就是vcpu線程從kvm返回需要處理io或者mmio的時候都需要通過對應的地址空間的dispatch_listner找到io操作的目標。具體可以看address_space_rw里的address_space_translate函數。