虚拟化技术 - CPU虚拟化

本文分享自天翼云开发者社区《虚拟化技术 - CPU虚拟化》，作者:谢****悦

物理机器是由CPU，内存和I/O设备等一组资源构成的实体。虚拟机也一样，由虚拟CPU，虚拟内存和虚拟I/O设备等组成。VMM(VM Monitor)按照与传统OS并发执行用户进程的相似方式，仲裁对所有共享资源的访问。本文将分别讨论CPU虚拟化、内存虚拟化和I/O虚拟化技术的原理和实现。

在虚拟化的平台上，虚拟机（guest VM）所使用的多个虚拟CPU（以下称vCPU）可能是共享同一个物理CPU（以下称pCPU）的。VMM负责vCPU的调度，当一个vCPU被调度到获得pCPU的使用权后，基于该vCPU运行的guest OS又可以调度OS中的各个线程/进程了。也就是说，guest OS中的各个线程/进程分时复用了vCPU，而各个vCPU又分时复用了pCPU。

为了从硬件上提供对vCPU调度和切换的支持，Intel推出了被称为VT-x(Virtualization Technology for x86)的CPU虚拟化扩展技术，用户可通过VMXON/VMXOFF指令打开/关闭这个功能。和Intel亦敌亦友的AMD也推出了被称为AMD-V的对应技术。

在Linux中，从用户空间trap到内核空间可以通过system call或者interrupt/exception。以system call基于x86的实现为例，早期x86提供的trap方法是int 0x80这样的software interrupt机制，而后改成了SYSENTER/SYSEXIT的指令对，现在则已经被速度更快的SYSCALL/SYSRET取代了。

类似地，在VT-x中，从guest VM进入VMM（这个过程被称为VM exit）通常有三种方式：

• 执行VMCALL指令，这种方式被称为hyper call，跟执行SYSCALL指令实现的system call原理差不多。
• 发生了硬件中断或软件异常。
• guest VM执行了一些敏感指令。有一些敏感指令并不会产生VM exit，比如SYSENTER；有一些敏感指令则可以根据下面将要介绍的VM executation control fields配置来选择是否产生VM exit。

进入VMM就意味着从non-root mode进入了root mode，反之，从VMM返回guest VM（这个过程被称为VM entry）则是重新回到了non-root mode，mode的切换意味着上下文（context）的保存和恢复。

上下文其实是个难以定义的概念，它是从CPU的角度引出的，简单地说，上下文就是程序（进程/中断）运行时所需要的寄存器的最小集合，这些寄存器的后面可能代表着程序运行的一类资源。

上下文切换是指程序从一种状态切换到另一种状态（比如从用户态切换到内核态），或者从一个程序切换到另一个程序（比如进程切换）时，导致上下文相关寄存器的值变化的行为。对于上下文切换时不需要改变的寄存器，也可以说它不是该程序的上下文。

VMCS

在Linux中，一个进程的相关信息保存在task_struct中。虚拟机的上下文比进程的上下文更为复杂，在VT-x中，由VMCS(Virtual-Machine Control data Structures)负责保存vCPU需要的相关状态和上下文信息。

VMCS在使用时需要和pCPU绑定。一个pCPU可以对应多个vCPU，而一个vCPU对应一个VMCS，但在任意给定时刻，一个pCPU上只能运行一个vCPU（就像在多线程调度中，某一时刻，一个CPU上只能运行一个线程一样）。

因此，一个pCPU只能绑定一个VMCS，一个VMCS也只能与一个pCPU绑定，可分别通过VMPTRLD/VMCLEAR指令建立/解除两者的绑定关系。VMCS存放在内存中，一个VMCS占据4KB大小，由6个区域组成：

• Guest state area，用于保存CPU在non-root mode下运行时的状态。当发生VM exit的时候，CPU将自己当前的状态保存到guest state area中，当发生VM entry的时候，guest state area保存的状态将被自动加载到CPU中。

其实也不用一口气将所有寄存器的值都恢复，反正都是保存在VMCS中的，可以等到该寄存器真正被guest使用到时再恢复，这就是Lazy Save/Restore，其基本思想是尽量将寄存器的保存/恢复延迟到最后一刻，减少无用功，提高上下文切换的效率。这种思想在Linux的实现中也比比皆是，比如copy on write, demand paging等，拖延症也不见得是件坏事哈。

• Host state area，用于保存CPU在root mode下运行时的状态。需要保存的寄存器和guest state area是差不多的，但是保存/恢复的过程是刚好反过来的。
• VM executation control fields，用于控制non-root模式下CPU的行为。出于优化的目的，VMM可以让某些敏感指令不产生VM exit，以减少mode切换带来的上下文开销，而这就是由VM execution control来实现的。

比如读取timestamp的RDTSC指令，在一些延时函数的实现中，该指令会被频繁使用，如果每次guest执行该指令的时候都trap到VMM，那系统开销就太大了，这时VMM可以选择每隔一段时间读取物理CPU真实的 timestamp值，然后填写guest 的timestamp虚拟寄存器，来达到模拟RDTSC指令的效果。

• VM exit control fields，用于规定VM exit时CPU的行为，比如是否应答外部中断。
• VM exit information fields。VMM除了通过VM exit control fields来控制VM exit的行为，还需要知道VM exit的相关信息（比如trap的具体原因），这些信息就是保存在VM exit information fields中的。
• VM entry control fields，用于控制VM entry的过程，比如后续的文章要介绍的中断注入。

VM executation control可理解为what to trap，就是哪些event会引起trap，哪些不会。VM exit control可理解为how to trap，VM exit information则可理解为why to trap。读写VMCS这段内存空间需要使用专门的VMREAD和VMWRITE指令。

小结一下，一个完整的VT-x使用流程是这样的：首先需要通过CPUID指令检查当前CPU是否支持虚拟化扩展。如果支持，则通过VMXON使能VT-x，建立VMCS并通过VMPTRLD绑定物理CPU。