轉自
【待看】 vring 使用和回收 https://blog.csdn.net/majieyue/article/details/51138093
http://oenhan.com/virtio-vring
vring數據結構 https://blog.csdn.net/weixin_43836778/article/details/103777170
1.Vring數據結構
- 數據結構圖的左半部分描述了virtio-blk設備與virtio設備的關系，virtqueue與vring_virtqueue的關系，如下：
- virtio-blk是一個virtio設備，它看到的隊列是virtqueue，里面沒有vring的實現，只記錄了vring中還有多少空閑的buffer可以使用
- vring_virtqueue是一個virtqueue，它將VRing的實現隱藏在virtqueue下面，當一個virtio-blk設備真正要發送數據時，只要傳入virtqueue就能找到VRing並實現數據收發
- 數據結構圖的右大半部分描述的是VRing的組成，VRing由三部分組成，如下：
- Descriptor Table，存放Guest Driver提供的buffer的指針，每個條目指向一個Guest Driver分配的收發數據buffer。注意，VRing中buffer空間的分配永遠由Guest Driver負責，Guest Driver發數據時，還需要向buffer填寫數據，Guest Driver收數據時，分配buffer空間后通知Host向buffer中填寫數據
- Avail Ring，存放Decriptor Table索引，指向Descriptor Table中的一個entry。當Guest Driver向Vring中添加buffer時，可以一次添加一個或多個buffer，所有buffer組成一個Descriptor chain，Guest Driver添加buffer成功后，需要將Descriptor chain頭部的地址記錄到Avail Ring中，讓Host端能夠知道新的可用的buffer是從VRing的哪個地方開始的。Host查找Descriptor chain頭部地址，需要經過兩次索引Buffer Adress = Descriptor Table[Avail Ring[last_avail_idx]]，last_avail_idx是Host端記錄的Guest上一次增加的buffer在Avail Ring中的位置。Guest Driver每添加一次buffer，就將Avail Ring的idx加1，以表示自己工作在Avail Ring中的哪個位置。Avail Rring是Guest維護，提供給Host用
- Used Ring，同Used Ring一樣，存放Decriptor Table索引。當Host根據Avail Ring中提供的信息從VRing中取出buffer，處理完之后，更新Used Ring，把這一次處理的Descriptor chain頭部的地址放到Used Ring中。Host每取一次buffer，就將Used Ring的idx加1，以表示自己工作在Used Ring中的哪個位置。Used Ring是Host維護，提供給Guest用
以上的描述會在接下來的介紹中進一步解釋
struct vring_desc
vring_desc是一個buffer描述符，可以認為它代表了一個Guest內存的buffer。指向要傳輸的數據。所有的vring_desc組成一個Descriptor
Table，Table的條目數就是virtqueue的隊列深度，表示Guest
一次性最多可以存放的數據buffer，qemu默認設置為128。見上圖
1 /* Virtio ring descriptors: 16 bytes. These can chain together via "next". */ 2 struct vring_desc { 3 /* Address (guest-physical). */ 4 __virtio64 addr; 5 /* Length. */ 6 __virtio32 len; 7 /* The flags as indicated above. */ 8 __virtio16 flags; 9 /* We chain unused descriptors via this, too */ 10 __virtio16 next; 11 };
addr：數據的物理地址
len：數據的長度
flags：標記數據對於Host是可讀還是可寫，如果buffer用於發送數據，對Host只讀，否則，對Host只寫。解釋如下:
1 /* This marks a buffer as continuing via the next field. 2 * 表示該buffer之后還有buffer，所有buffer可以通過next連成一個Descriptor chain 3 */ 4 #define VRING_DESC_F_NEXT 1 5 /* This marks a buffer as write-only (otherwise read-only). 6 * 表示該buffer只能寫，當buffer用於接收數據時，需要向Host提供buffer，這個時候就標記buffer為寫。反之是發送數據，標記為讀 7 */ 8 #define VRING_DESC_F_WRITE 2 9 /* This means the buffer contains a list of buffer descriptors. 10 * 不做討論 11 */ 12 #define VRING_DESC_F_INDIRECT 4
next：存放下一個buffer在Descriptor Table的位置。
注意，next不是存放的物理地址，通過其類型不難判斷，next是存放的下一個buffer在Descriptor Table的索引
struct vring_avail
Guest通過Avail Ring向Host提供buffer，指示Guest增加的buffer位置和當前工作的位置
1 struct vring_avail { 2 __virtio16 flags; 3 __virtio16 idx; 4 __virtio16 ring[]; 5 };
flags：用於指示Host當它處理完buffer，將Descriptor index寫入Used Ring之后，是否通過注入中斷通知Guest。如果flags設置為0，Host每處理完一次buffer就會中斷通知Guest，從而觸發VMExit，增加開銷。如果flags為1，不通知Guest。這是一種比較粗糙的方式，要么不通知，要么通知。還有一種比較優雅的方式，叫做VIRTIO_F_EVENT_IDX特性，它根據前后端的處理速度，來判斷是否進行通知。如果該特性開啟，那么flags的意義將會改變，Guest必須把flags設置為0，然后通過used_event機制實現通知。used_event機制會在后面進行介紹。
idx：指示Guest下一次添加buffer時的在Avail Ring所處的位置，換句話說，idx存放的ring[]數組索引，ring[idx]存放才是下一次添加的buffer頭在Descriptor Table的位置
ring：存放Descriptor Table索引的環，是一個數組，長度是隊列深度加1個。其中最后一個用作Event方式通知機制，見下圖。VirtIO實現了兩級索引，一級索引指向Descriptor Table中的元素，Avail Ring和Used Ring代表的是一級索引，核心就是這里的ring[]數組成員。二級索引指向buffer的物理地址，Descriptor Table是二級索引
struct vring_used
Host通過Used Ring向Host提供信息，指示Host處理buffer的位置
1 struct vring_used { 2 __virtio16 flags; 3 __virtio16 idx; 4 struct vring_used_elem ring[]; 5 }; 6 7 /* u32 is used here for ids for padding reasons. */ 8 struct vring_used_elem { 9 /* Index of start of used descriptor chain. */ 10 __virtio32 id; 11 /* Total length of the descriptor chain which was used (written to) */ 12 __virtio32 len; 13 };
flags：用於指示Guest當它添加完buffer，將Descriptor index寫入Avail Ring之后，是否發送notification通知Host。如果flags設置為0，Guest每增加一次buffer就會通知Host，如果flags為1，不通知Host。Used Ring flags的含義和Avail Ring flags的含義類似，都是指示前后端數據處理完后是否通知對方。同樣的，當VIRTIO_F_EVENT_IDX特性開啟時，flags必須被設置成0，Guest使用avail_event方式通知Host
idx：指示Host下一次處理的buffer在Used Ring所的位置
ring：存放Descriptor Table索引的環。意義和Avail Ring中的ring類似，都是存放指向Descriptor Table的索引。但Used Ring不同的是，它的元素還增加了一個len字段，用來表示Host在buffer中處理了多長的數據。這個字段在某些場景下有用。這里不做介紹
struct vring
VRing包含數據傳輸的所有要素，包括Descriptor Table，Avail Ring和Used Ring，其中Descriptor Table是一個數組，每個Entry描述一個數據的buffer，Descriptor Table存放的是指針，Avail Ring和Used Ring中的ring數組則不同，它們存放的是索引，用來間接記錄Descriptor chain
1 struct vring { 2 /* VRing的隊列深度，表示一個VRing有多少個buffer */ 3 unsigned int num; 4 /* 指向Descriptor Table */ 5 struct vring_desc *desc; 6 /* 指向Avail Ring */ 7 struct vring_avail *avail; 8 /* 指向Used Ring */ 9 struct vring_used *used; 10 };
struct virtqueue
virtqueue用作在Guest與Host之間傳遞數據，Host可以在用戶態（qemu）實現，也可以在內核態（vhost）實現。一個virtio設備可以是磁盤，網卡或者控制台，可以擁有一個或者多個virtqueue，每個virtqueue獨立完成數據收發。virtqueue數量多少根據設備的需求來定，比如網卡，通常有兩個virtqueue，一個用來接收數據，一個用來發送數據。
1 ** 2 * virtqueue - a queue to register buffers for sending or receiving. 3 * @list: the chain of virtqueues for this device 4 * @callback: the function to call when buffers are consumed (can be NULL). 5 * @name: the name of this virtqueue (mainly for debugging) 6 * @vdev: the virtio device this queue was created for. 7 * @priv: a pointer for the virtqueue implementation to use. 8 * @index: the zero-based ordinal number for this queue. 9 * @num_free: number of elements we expect to be able to fit. 10 * 11 * A note on @num_free: with indirect buffers, each buffer needs one 12 * element in the queue, otherwise a buffer will need one element per 13 * sg element. 14 */ 15 struct virtqueue { 16 struct list_head list; 17 void (*callback)(struct virtqueue *vq); 18 const char *name; 19 struct virtio_device *vdev; 20 unsigned int index; 21 unsigned int num_free; // virtqueue中剩余的buffer數量，初始化時該大小是virtqueue深度 22 void *priv; 23 };
- 當virtio設備支持多隊列特性時，virtqueue數量可配置，比如為一個virtio-blk磁盤配置4個隊列，主機側：
1 1: libvirt配置 2 <disk type='file' device='disk'> 3 <driver name='qemu' type='qcow2' queues='4'/> 4 ... 5 </disk> 6 2: qemu配置 7 -device virtio-blk-pci,num-queues=4...
- qemu在啟動時如果解析到virtio-blk設備的num-queues被設置大於1，就會為磁盤設置VIRTIO_BLK_F_MQ特性，表示后端支持多隊列，如果前端guest驅動也支持多隊列，那么多隊列可以設置成功，如果前端驅動不支持多隊列特性，那么隊列會回退到默認值1
1 if (s->conf.num_queues > 1) { 2 virtio_add_feature(&features, VIRTIO_BLK_F_MQ); // 添加多隊列特性 3 } 4 5 static Property virtio_blk_properties[] = { 6 DEFINE_PROP_UINT16("num-queues", VirtIOBlock, conf.num_queues, 1) // virtio-blk默認隊列數為1 7 ... 8 }
成功設置磁盤多隊列之后，虛擬機內部查看如下：
多隊列可以提高IO性能，libvirt的官方推薦配置是多隊列個數與vcpu個數相同，讓每個vcpu可以處理一個隊列，當虛擬機IO壓力大的時候，IO數據可以平均到各個隊列分別讓每個cpu單獨處理，從而提高傳輸效率
struct vring_virtqueue
- virtqueue是virtio設備看到的隊列形式，真正實現數據傳輸的VRing不會被設備看見，它隱藏在virtqueue的下面，和virtqueue一起，組成了vring_virtqueue。
1 struct vring_virtqueue { 2 /* 設備看到的VRing */ 3 struct virtqueue vq; 4 5 /* Actual memory layout for this queue 6 * 實現數據傳輸的VRing結構 7 */ 8 struct vring vring; 9 10 /* Can we use weak barriers? */ 11 bool weak_barriers; 12 13 /* Other side has made a mess, don't try any more. */ 14 bool broken; 15 16 /* Host supports indirect buffers */ 17 bool indirect; 18 19 /* Host publishes avail event idx 20 * 是否開啟Event通知機制 21 */ 22 bool event; 23 24 /* Head of free buffer list. 25 * 當前Descriptor Table中空閑buffer的起始位置 26 */ 27 unsigned int free_head; 28 29 /* Number we've added since last sync. 30 * 上一次通知Host后，Guest往VRing上添加了多少次buffer（virtqueue_add_buffer) 31 * 每添加一次buffer，num_added加1，每kick一次Host清空 32 */ 33 unsigned int num_added; 34 35 /* Last used index we've seen. */ 36 u16 last_used_idx; 37 38 /* Last written value to avail->flags 39 */ 40 u16 avail_flags_shadow; 41 42 /* Last written value to avail->idx in guest byte order 43 * Guest每添加一次buffer，avail_idx_shadow加1 44 * 每刪除一次buffer，avail_idx_shadow減1 45 */ 46 u16 avail_idx_shadow; 47 48 /* How to notify other side. FIXME: commonalize hcalls! */ 49 bool (*notify)(struct virtqueue *vq); 50 51 /* DMA, allocation, and size information */ 52 bool we_own_ring; 53 size_t queue_size_in_bytes; 54 dma_addr_t queue_dma_addr; 55 #ifdef DEBUG 56 /* They're supposed to lock for us. */ 57 unsigned int in_use; 58 59 /* Figure out if their kicks are too delayed. */ 60 bool last_add_time_valid; 61 ktime_t last_add_time; 62 #endif 63 64 /* Per-descriptor state. */ 65 struct vring_desc_state desc_state[]; 66 };
2.vring數據更新過程
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