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<audio id="audio" title="54 | 存储虚拟化（下）：如何建立自己保管的单独档案库？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/96/9a/96ae957ba80acda102c44d661ea0be9a.mp3"></audio>
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上一节，我们讲了qemu启动过程中的存储虚拟化。好了，现在qemu启动了，硬盘设备文件已经打开了。那如果我们要往虚拟机的一个进程写入一个文件，该怎么做呢？最终这个文件又是如何落到宿主机上的硬盘文件的呢？这一节，我们一起来看一看。
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## 前端设备驱动virtio_blk
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虚拟机里面的进程写入一个文件，当然要通过文件系统。整个过程和咱们在[文件系统](https://time.geekbang.org/column/article/97876)那一节讲的过程没有区别。只是到了设备驱动层，我们看到的就不是普通的硬盘驱动了，而是virtio的驱动。
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virtio的驱动程序代码在Linux操作系统的源代码里面，文件名叫drivers/block/virtio_blk.c。
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```
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static int __init init(void)
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{
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int error;
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virtblk_wq = alloc_workqueue("virtio-blk", 0, 0);
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major = register_blkdev(0, "virtblk");
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error = register_virtio_driver(&virtio_blk);
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......
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}
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module_init(init);
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module_exit(fini);
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MODULE_DEVICE_TABLE(virtio, id_table);
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MODULE_DESCRIPTION("Virtio block driver");
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MODULE_LICENSE("GPL");
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static struct virtio_driver virtio_blk = {
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......
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.driver.name = KBUILD_MODNAME,
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.driver.owner = THIS_MODULE,
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.id_table = id_table,
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.probe = virtblk_probe,
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.remove = virtblk_remove,
|
||
......
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};
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```
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前面我们介绍过设备驱动程序，从这里的代码中，我们能看到非常熟悉的结构。它会创建一个workqueue，注册一个块设备，并获得一个主设备号，然后注册一个驱动函数virtio_blk。
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当一个设备驱动作为一个内核模块被初始化的时候，probe函数会被调用，因而我们来看一下virtblk_probe。
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```
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static int virtblk_probe(struct virtio_device *vdev)
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{
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struct virtio_blk *vblk;
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struct request_queue *q;
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......
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vdev->priv = vblk = kmalloc(sizeof(*vblk), GFP_KERNEL);
|
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vblk->vdev = vdev;
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vblk->sg_elems = sg_elems;
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INIT_WORK(&vblk->config_work, virtblk_config_changed_work);
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......
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err = init_vq(vblk);
|
||
......
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vblk->disk = alloc_disk(1 << PART_BITS);
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memset(&vblk->tag_set, 0, sizeof(vblk->tag_set));
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vblk->tag_set.ops = &virtio_mq_ops;
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vblk->tag_set.queue_depth = virtblk_queue_depth;
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||
vblk->tag_set.numa_node = NUMA_NO_NODE;
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vblk->tag_set.flags = BLK_MQ_F_SHOULD_MERGE;
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||
vblk->tag_set.cmd_size =
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sizeof(struct virtblk_req) +
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sizeof(struct scatterlist) * sg_elems;
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vblk->tag_set.driver_data = vblk;
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vblk->tag_set.nr_hw_queues = vblk->num_vqs;
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err = blk_mq_alloc_tag_set(&vblk->tag_set);
|
||
......
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q = blk_mq_init_queue(&vblk->tag_set);
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vblk->disk->queue = q;
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||
q->queuedata = vblk;
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virtblk_name_format("vd", index, vblk->disk->disk_name, DISK_NAME_LEN);
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vblk->disk->major = major;
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vblk->disk->first_minor = index_to_minor(index);
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||
vblk->disk->private_data = vblk;
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||
vblk->disk->fops = &virtblk_fops;
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||
vblk->disk->flags |= GENHD_FL_EXT_DEVT;
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||
vblk->index = index;
|
||
......
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||
device_add_disk(&vdev->dev, vblk->disk);
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||
err = device_create_file(disk_to_dev(vblk->disk), &dev_attr_serial);
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||
......
|
||
}
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```
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在virtblk_probe中，我们首先看到的是struct request_queue，这是每一个块设备都有的一个队列。还记得吗？它有两个函数，一个是make_request_fn函数，用于生成request；另一个是request_fn函数，用于处理request。
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这个request_queue的初始化过程在blk_mq_init_queue中。它会调用blk_mq_init_allocated_queue->blk_queue_make_request。在这里面，我们可以将make_request_fn函数设置为blk_mq_make_request，也就是说，一旦上层有写入请求，我们就通过blk_mq_make_request这个函数，将请求放入request_queue队列中。
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||
另外，在virtblk_probe中，我们会初始化一个gendisk。前面我们也讲了，每一个块设备都有这样一个结构。
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在virtblk_probe中，还有一件重要的事情就是，init_vq会来初始化virtqueue。
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```
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static int init_vq(struct virtio_blk *vblk)
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{
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int err;
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int i;
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vq_callback_t **callbacks;
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const char **names;
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struct virtqueue **vqs;
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unsigned short num_vqs;
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struct virtio_device *vdev = vblk->vdev;
|
||
......
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||
vblk->vqs = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*vblk->vqs), GFP_KERNEL);
|
||
names = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*names), GFP_KERNEL);
|
||
callbacks = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*callbacks), GFP_KERNEL);
|
||
vqs = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*vqs), GFP_KERNEL);
|
||
......
|
||
for (i = 0; i < num_vqs; i++) {
|
||
callbacks[i] = virtblk_done;
|
||
names[i] = vblk->vqs[i].name;
|
||
}
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||
/* Discover virtqueues and write information to configuration. */
|
||
err = virtio_find_vqs(vdev, num_vqs, vqs, callbacks, names, &desc);
|
||
|
||
for (i = 0; i < num_vqs; i++) {
|
||
vblk->vqs[i].vq = vqs[i];
|
||
}
|
||
vblk->num_vqs = num_vqs;
|
||
......
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||
}
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```
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||
按照上面的原理来说，virtqueue是一个介于客户机前端和qemu后端的一个结构，用于在这两端之间传递数据。这里建立的struct virtqueue是客户机前端对于队列的管理的数据结构，在客户机的linux内核中通过kmalloc_array进行分配。
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而队列的实体需要通过函数virtio_find_vqs查找或者生成，所以这里我们还把callback函数指定为virtblk_done。当buffer使用发生变化的时候，我们需要调用这个callback函数进行通知。
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```
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static inline
|
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int virtio_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
|
||
struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
|
||
const char * const names[],
|
||
struct irq_affinity *desc)
|
||
{
|
||
return vdev->config->find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, NULL, desc);
|
||
}
|
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||
static const struct virtio_config_ops virtio_pci_config_ops = {
|
||
.get = vp_get,
|
||
.set = vp_set,
|
||
.generation = vp_generation,
|
||
.get_status = vp_get_status,
|
||
.set_status = vp_set_status,
|
||
.reset = vp_reset,
|
||
.find_vqs = vp_modern_find_vqs,
|
||
.del_vqs = vp_del_vqs,
|
||
.get_features = vp_get_features,
|
||
.finalize_features = vp_finalize_features,
|
||
.bus_name = vp_bus_name,
|
||
.set_vq_affinity = vp_set_vq_affinity,
|
||
.get_vq_affinity = vp_get_vq_affinity,
|
||
};
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||
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```
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||
根据virtio_config_ops的定义，virtio_find_vqs会调用vp_modern_find_vqs。
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```
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||
static int vp_modern_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
|
||
struct virtqueue *vqs[],
|
||
vq_callback_t *callbacks[],
|
||
const char * const names[], const bool *ctx,
|
||
struct irq_affinity *desc)
|
||
{
|
||
struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
|
||
struct virtqueue *vq;
|
||
int rc = vp_find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, ctx, desc);
|
||
/* Select and activate all queues. Has to be done last: once we do
|
||
* this, there's no way to go back except reset.
|
||
*/
|
||
list_for_each_entry(vq, &vdev->vqs, list) {
|
||
vp_iowrite16(vq->index, &vp_dev->common->queue_select);
|
||
vp_iowrite16(1, &vp_dev->common->queue_enable);
|
||
}
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
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||
```
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||
在vp_modern_find_vqs中，vp_find_vqs会调用vp_find_vqs_intx。
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||
```
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static int vp_find_vqs_intx(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
|
||
struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
|
||
const char * const names[], const bool *ctx)
|
||
{
|
||
struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
|
||
int i, err;
|
||
|
||
vp_dev->vqs = kcalloc(nvqs, sizeof(*vp_dev->vqs), GFP_KERNEL);
|
||
err = request_irq(vp_dev->pci_dev->irq, vp_interrupt, IRQF_SHARED,
|
||
dev_name(&vdev->dev), vp_dev);
|
||
vp_dev->intx_enabled = 1;
|
||
vp_dev->per_vq_vectors = false;
|
||
for (i = 0; i < nvqs; ++i) {
|
||
vqs[i] = vp_setup_vq(vdev, i, callbacks[i], names[i],
|
||
ctx ? ctx[i] : false,
|
||
VIRTIO_MSI_NO_VECTOR);
|
||
......
|
||
}
|
||
}
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||
```
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||
在vp_find_vqs_intx中，我们通过request_irq注册一个中断处理函数vp_interrupt，当设备的配置信息发生改变，会产生一个中断，当设备向队列中写入信息时，也会产生一个中断，我们称为vq中断，中断处理函数需要调用相应的队列的回调函数。
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||
然后，我们根据队列的数目，依次调用vp_setup_vq，完成virtqueue、vring的分配和初始化。
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```
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static struct virtqueue *vp_setup_vq(struct virtio_device *vdev, unsigned index,
|
||
void (*callback)(struct virtqueue *vq),
|
||
const char *name,
|
||
bool ctx,
|
||
u16 msix_vec)
|
||
{
|
||
struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
|
||
struct virtio_pci_vq_info *info = kmalloc(sizeof *info, GFP_KERNEL);
|
||
struct virtqueue *vq;
|
||
unsigned long flags;
|
||
......
|
||
vq = vp_dev->setup_vq(vp_dev, info, index, callback, name, ctx,
|
||
msix_vec);
|
||
info->vq = vq;
|
||
if (callback) {
|
||
spin_lock_irqsave(&vp_dev->lock, flags);
|
||
list_add(&info->node, &vp_dev->virtqueues);
|
||
spin_unlock_irqrestore(&vp_dev->lock, flags);
|
||
} else {
|
||
INIT_LIST_HEAD(&info->node);
|
||
}
|
||
vp_dev->vqs[index] = info;
|
||
return vq;
|
||
}
|
||
|
||
static struct virtqueue *setup_vq(struct virtio_pci_device *vp_dev,
|
||
struct virtio_pci_vq_info *info,
|
||
unsigned index,
|
||
void (*callback)(struct virtqueue *vq),
|
||
const char *name,
|
||
bool ctx,
|
||
u16 msix_vec)
|
||
{
|
||
struct virtio_pci_common_cfg __iomem *cfg = vp_dev->common;
|
||
struct virtqueue *vq;
|
||
u16 num, off;
|
||
int err;
|
||
|
||
/* Select the queue we're interested in */
|
||
vp_iowrite16(index, &cfg->queue_select);
|
||
|
||
/* Check if queue is either not available or already active. */
|
||
num = vp_ioread16(&cfg->queue_size);
|
||
|
||
/* get offset of notification word for this vq */
|
||
off = vp_ioread16(&cfg->queue_notify_off);
|
||
|
||
info->msix_vector = msix_vec;
|
||
|
||
/* create the vring */
|
||
vq = vring_create_virtqueue(index, num,
|
||
SMP_CACHE_BYTES, &vp_dev->vdev,
|
||
true, true, ctx,
|
||
vp_notify, callback, name);
|
||
/* activate the queue */
|
||
vp_iowrite16(virtqueue_get_vring_size(vq), &cfg->queue_size);
|
||
vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_desc_addr(vq),
|
||
&cfg->queue_desc_lo, &cfg->queue_desc_hi);
|
||
vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_avail_addr(vq),
|
||
&cfg->queue_avail_lo, &cfg->queue_avail_hi);
|
||
vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_used_addr(vq),
|
||
&cfg->queue_used_lo, &cfg->queue_used_hi);
|
||
......
|
||
return vq;
|
||
}
|
||
|
||
struct virtqueue *vring_create_virtqueue(
|
||
unsigned int index,
|
||
unsigned int num,
|
||
unsigned int vring_align,
|
||
struct virtio_device *vdev,
|
||
bool weak_barriers,
|
||
bool may_reduce_num,
|
||
bool context,
|
||
bool (*notify)(struct virtqueue *),
|
||
void (*callback)(struct virtqueue *),
|
||
const char *name)
|
||
{
|
||
struct virtqueue *vq;
|
||
void *queue = NULL;
|
||
dma_addr_t dma_addr;
|
||
size_t queue_size_in_bytes;
|
||
struct vring vring;
|
||
|
||
/* TODO: allocate each queue chunk individually */
|
||
for (; num && vring_size(num, vring_align) > PAGE_SIZE; num /= 2) {
|
||
queue = vring_alloc_queue(vdev, vring_size(num, vring_align),
|
||
&dma_addr,
|
||
GFP_KERNEL|__GFP_NOWARN|__GFP_ZERO);
|
||
if (queue)
|
||
break;
|
||
}
|
||
|
||
if (!queue) {
|
||
/* Try to get a single page. You are my only hope! */
|
||
queue = vring_alloc_queue(vdev, vring_size(num, vring_align),
|
||
&dma_addr, GFP_KERNEL|__GFP_ZERO);
|
||
}
|
||
|
||
queue_size_in_bytes = vring_size(num, vring_align);
|
||
vring_init(&vring, num, queue, vring_align);
|
||
|
||
vq = __vring_new_virtqueue(index, vring, vdev, weak_barriers, context, notify, callback, name);
|
||
|
||
to_vvq(vq)->queue_dma_addr = dma_addr;
|
||
to_vvq(vq)->queue_size_in_bytes = queue_size_in_bytes;
|
||
to_vvq(vq)->we_own_ring = true;
|
||
|
||
return vq;
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
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||
在vring_create_virtqueue中，我们会调用vring_alloc_queue，来创建队列所需要的内存空间，然后调用vring_init初始化结构struct vring，来管理队列的内存空间，调用__vring_new_virtqueue，来创建struct vring_virtqueue。
|
||
|
||
这个结构的一开始，是struct virtqueue，它也是struct virtqueue的一个扩展，紧接着后面就是struct vring。
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||
```
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||
struct vring_virtqueue {
|
||
struct virtqueue vq;
|
||
|
||
/* Actual memory layout for this queue */
|
||
struct vring vring;
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
至此我们发现，虚拟机里面的virtio的前端是这样的结构：struct virtio_device里面有一个struct vring_virtqueue，在struct vring_virtqueue里面有一个struct vring。
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||
## 中间virtio队列的管理
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||
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||
还记不记得我们上面讲qemu初始化的时候，virtio的后端有数据结构VirtIODevice，VirtQueue和vring一模一样，前端和后端对应起来，都应该指向刚才创建的那一段内存。
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||
现在的问题是，我们刚才分配的内存在客户机的内核里面，如何告知qemu来访问这段内存呢？
|
||
|
||
别忘了，qemu模拟出来的virtio block device只是一个PCI设备。对于客户机来讲，这是一个外部设备，我们可以通过给外部设备发送指令的方式告知外部设备，这就是代码中vp_iowrite16的作用。它会调用专门给外部设备发送指令的函数iowrite，告诉外部的PCI设备。
|
||
|
||
告知的有三个地址virtqueue_get_desc_addr、virtqueue_get_avail_addr，virtqueue_get_used_addr。从客户机角度来看，这里面的地址都是物理地址，也即GPA（Guest Physical Address）。因为只有物理地址才是客户机和qemu程序都认可的地址，本来客户机的物理内存也是qemu模拟出来的。
|
||
|
||
在qemu中，对PCI总线添加一个设备的时候，我们会调用virtio_pci_device_plugged。
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||
```
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||
static void virtio_pci_device_plugged(DeviceState *d, Error **errp)
|
||
{
|
||
VirtIOPCIProxy *proxy = VIRTIO_PCI(d);
|
||
......
|
||
memory_region_init_io(&proxy->bar, OBJECT(proxy),
|
||
&virtio_pci_config_ops,
|
||
proxy, "virtio-pci", size);
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
static const MemoryRegionOps virtio_pci_config_ops = {
|
||
.read = virtio_pci_config_read,
|
||
.write = virtio_pci_config_write,
|
||
.impl = {
|
||
.min_access_size = 1,
|
||
.max_access_size = 4,
|
||
},
|
||
.endianness = DEVICE_LITTLE_ENDIAN,
|
||
};
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在这里面，对于这个加载的设备进行I/O操作，会映射到读写某一块内存空间，对应的操作为virtio_pci_config_ops，也即写入这块内存空间，这就相当于对于这个PCI设备进行某种配置。
|
||
|
||
对PCI设备进行配置的时候，会有这样的调用链：virtio_pci_config_write->virtio_ioport_write->virtio_queue_set_addr。设置virtio的queue的地址是一项很重要的操作。
|
||
|
||
```
|
||
void virtio_queue_set_addr(VirtIODevice *vdev, int n, hwaddr addr)
|
||
{
|
||
vdev->vq[n].vring.desc = addr;
|
||
virtio_queue_update_rings(vdev, n);
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
从这里我们可以看出，qemu后端的VirtIODevice的VirtQueue的vring的地址，被设置成了刚才给队列分配的内存的GPA。
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|
||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/25/d0/2572f8b1e75b9eaab6560866fcb31fd0.jpg" alt="">
|
||
|
||
接着，我们来看一下这个队列的格式。
|
||
|
||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/49/db/49414d5acc81933b66410bbba102b0db.jpg" alt="">
|
||
|
||
```
|
||
/* Virtio ring descriptors: 16 bytes. These can chain together via "next". */
|
||
struct vring_desc {
|
||
/* Address (guest-physical). */
|
||
__virtio64 addr;
|
||
/* Length. */
|
||
__virtio32 len;
|
||
/* The flags as indicated above. */
|
||
__virtio16 flags;
|
||
/* We chain unused descriptors via this, too */
|
||
__virtio16 next;
|
||
};
|
||
|
||
struct vring_avail {
|
||
__virtio16 flags;
|
||
__virtio16 idx;
|
||
__virtio16 ring[];
|
||
};
|
||
|
||
/* u32 is used here for ids for padding reasons. */
|
||
struct vring_used_elem {
|
||
/* Index of start of used descriptor chain. */
|
||
__virtio32 id;
|
||
/* Total length of the descriptor chain which was used (written to) */
|
||
__virtio32 len;
|
||
};
|
||
|
||
struct vring_used {
|
||
__virtio16 flags;
|
||
__virtio16 idx;
|
||
struct vring_used_elem ring[];
|
||
};
|
||
|
||
struct vring {
|
||
unsigned int num;
|
||
|
||
struct vring_desc *desc;
|
||
|
||
struct vring_avail *avail;
|
||
|
||
struct vring_used *used;
|
||
};
|
||
|
||
```
|
||
|
||
vring包含三个成员：
|
||
|
||
- vring_desc指向分配的内存块，用于存放客户机和qemu之间传输的数据。
|
||
- avail->ring[]是发送端维护的环形队列，指向需要接收端处理的vring_desc。
|
||
- used->ring[]是接收端维护的环形队列，指向自己已经处理过了的vring_desc。
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## 数据写入的流程
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接下来，我们来看，真的写入一个数据的时候，会发生什么。
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按照上面virtio驱动初始化的时候的逻辑，blk_mq_make_request会被调用。这个函数比较复杂，会分成多个分支，但是最终都会调用到request_queue的virtio_mq_ops的queue_rq函数。
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```
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struct request_queue *q = rq->q;
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q->mq_ops->queue_rq(hctx, &bd);
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static const struct blk_mq_ops virtio_mq_ops = {
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.queue_rq = virtio_queue_rq,
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.complete = virtblk_request_done,
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||
.init_request = virtblk_init_request,
|
||
.map_queues = virtblk_map_queues,
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||
};
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```
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根据virtio_mq_ops的定义，我们现在要调用virtio_queue_rq。
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```
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static blk_status_t virtio_queue_rq(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
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const struct blk_mq_queue_data *bd)
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{
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struct virtio_blk *vblk = hctx->queue->queuedata;
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struct request *req = bd->rq;
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struct virtblk_req *vbr = blk_mq_rq_to_pdu(req);
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......
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err = virtblk_add_req(vblk->vqs[qid].vq, vbr, vbr->sg, num);
|
||
......
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if (notify)
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virtqueue_notify(vblk->vqs[qid].vq);
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return BLK_STS_OK;
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}
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```
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在virtio_queue_rq中，我们会将请求写入的数据，通过virtblk_add_req放入struct virtqueue。
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因此，接下来的调用链为：virtblk_add_req->virtqueue_add_sgs->virtqueue_add。
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```
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static inline int virtqueue_add(struct virtqueue *_vq,
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struct scatterlist *sgs[],
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unsigned int total_sg,
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unsigned int out_sgs,
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unsigned int in_sgs,
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void *data,
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void *ctx,
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gfp_t gfp)
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{
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struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
|
||
struct scatterlist *sg;
|
||
struct vring_desc *desc;
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unsigned int i, n, avail, descs_used, uninitialized_var(prev), err_idx;
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int head;
|
||
bool indirect;
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......
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head = vq->free_head;
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indirect = false;
|
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desc = vq->vring.desc;
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i = head;
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descs_used = total_sg;
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||
for (n = 0; n < out_sgs; n++) {
|
||
for (sg = sgs[n]; sg; sg = sg_next(sg)) {
|
||
dma_addr_t addr = vring_map_one_sg(vq, sg, DMA_TO_DEVICE);
|
||
......
|
||
desc[i].flags = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, VRING_DESC_F_NEXT);
|
||
desc[i].addr = cpu_to_virtio64(_vq->vdev, addr);
|
||
desc[i].len = cpu_to_virtio32(_vq->vdev, sg->length);
|
||
prev = i;
|
||
i = virtio16_to_cpu(_vq->vdev, desc[i].next);
|
||
}
|
||
}
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||
/* Last one doesn't continue. */
|
||
desc[prev].flags &= cpu_to_virtio16(_vq->vdev, ~VRING_DESC_F_NEXT);
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||
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||
/* We're using some buffers from the free list. */
|
||
vq->vq.num_free -= descs_used;
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/* Update free pointer */
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||
vq->free_head = i;
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||
|
||
/* Store token and indirect buffer state. */
|
||
vq->desc_state[head].data = data;
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||
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||
/* Put entry in available array (but don't update avail->idx until they do sync). */
|
||
avail = vq->avail_idx_shadow & (vq->vring.num - 1);
|
||
vq->vring.avail->ring[avail] = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, head);
|
||
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||
/* Descriptors and available array need to be set before we expose the new available array entries. */
|
||
virtio_wmb(vq->weak_barriers);
|
||
vq->avail_idx_shadow++;
|
||
vq->vring.avail->idx = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->avail_idx_shadow);
|
||
vq->num_added++;
|
||
......
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
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||
```
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||
在virtqueue_add函数中，我们能看到，free_head指向的整个内存块空闲链表的起始位置，用head变量记住这个起始位置。
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||
接下来，i也指向这个起始位置，然后是一个for循环，将数据放到内存块里面，放的过程中，next不断指向下一个空闲位置，这样空闲的内存块被不断的占用。等所有的写入都结束了，i就会指向这次存放的内存块的下一个空闲位置，然后free_head就指向i，因为前面的都填满了。
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||
至此，从head到i之间的内存块，就是这次写入的全部数据。
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||
于是，在vring的avail变量中，在ring[]数组中分配新的一项，在avail的位置，avail的计算是avail_idx_shadow & (vq->vring.num - 1)，其中，avail_idx_shadow是上一次的avail的位置。这里如果超过了ring[]数组的下标，则重新跳到起始位置，就说明是一个环。这次分配的新的avail的位置就存放新写入的从head到i之间的内存块。然后是avail_idx_shadow++，这说明这一块内存可以被接收方读取了。
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||
接下来，我们回到virtio_queue_rq，调用virtqueue_notify通知接收方。而virtqueue_notify会调用vp_notify。
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```
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||
bool vp_notify(struct virtqueue *vq)
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{
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||
/* we write the queue's selector into the notification register to
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* signal the other end */
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||
iowrite16(vq->index, (void __iomem *)vq->priv);
|
||
return true;
|
||
}
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||
```
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||
然后，我们写入一个I/O会触发VM exit。我们在解析CPU的时候看到过这个逻辑。
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```
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int kvm_cpu_exec(CPUState *cpu)
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{
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struct kvm_run *run = cpu->kvm_run;
|
||
int ret, run_ret;
|
||
......
|
||
run_ret = kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN, 0);
|
||
......
|
||
switch (run->exit_reason) {
|
||
case KVM_EXIT_IO:
|
||
DPRINTF("handle_io\n");
|
||
/* Called outside BQL */
|
||
kvm_handle_io(run->io.port, attrs,
|
||
(uint8_t *)run + run->io.data_offset,
|
||
run->io.direction,
|
||
run->io.size,
|
||
run->io.count);
|
||
ret = 0;
|
||
break;
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
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||
```
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||
这次写入的也是一个I/O的内存空间，同样会触发virtio_ioport_write，这次会调用virtio_queue_notify。
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```
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||
void virtio_queue_notify(VirtIODevice *vdev, int n)
|
||
{
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||
VirtQueue *vq = &vdev->vq[n];
|
||
......
|
||
if (vq->handle_aio_output) {
|
||
event_notifier_set(&vq->host_notifier);
|
||
} else if (vq->handle_output) {
|
||
vq->handle_output(vdev, vq);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
virtio_queue_notify会调用VirtQueue的handle_output函数，前面我们已经设置过这个函数了，是virtio_blk_handle_output。
|
||
|
||
接下来的调用链为：virtio_blk_handle_output->virtio_blk_handle_output_do->virtio_blk_handle_vq。
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||
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||
```
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||
bool virtio_blk_handle_vq(VirtIOBlock *s, VirtQueue *vq)
|
||
{
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||
VirtIOBlockReq *req;
|
||
MultiReqBuffer mrb = {};
|
||
bool progress = false;
|
||
......
|
||
do {
|
||
virtio_queue_set_notification(vq, 0);
|
||
|
||
while ((req = virtio_blk_get_request(s, vq))) {
|
||
progress = true;
|
||
if (virtio_blk_handle_request(req, &mrb)) {
|
||
virtqueue_detach_element(req->vq, &req->elem, 0);
|
||
virtio_blk_free_request(req);
|
||
break;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
virtio_queue_set_notification(vq, 1);
|
||
} while (!virtio_queue_empty(vq));
|
||
|
||
if (mrb.num_reqs) {
|
||
virtio_blk_submit_multireq(s->blk, &mrb);
|
||
}
|
||
......
|
||
return progress;
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在virtio_blk_handle_vq中，有一个while循环，在循环中调用函数virtio_blk_get_request从vq中取出请求，然后调用virtio_blk_handle_request处理从vq中取出的请求。
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||
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||
我们先来看virtio_blk_get_request。
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||
```
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||
static VirtIOBlockReq *virtio_blk_get_request(VirtIOBlock *s, VirtQueue *vq)
|
||
{
|
||
VirtIOBlockReq *req = virtqueue_pop(vq, sizeof(VirtIOBlockReq));
|
||
|
||
if (req) {
|
||
virtio_blk_init_request(s, vq, req);
|
||
}
|
||
return req;
|
||
}
|
||
|
||
void *virtqueue_pop(VirtQueue *vq, size_t sz)
|
||
{
|
||
unsigned int i, head, max;
|
||
VRingMemoryRegionCaches *caches;
|
||
MemoryRegionCache *desc_cache;
|
||
int64_t len;
|
||
VirtIODevice *vdev = vq->vdev;
|
||
VirtQueueElement *elem = NULL;
|
||
unsigned out_num, in_num, elem_entries;
|
||
hwaddr addr[VIRTQUEUE_MAX_SIZE];
|
||
struct iovec iov[VIRTQUEUE_MAX_SIZE];
|
||
VRingDesc desc;
|
||
int rc;
|
||
......
|
||
/* When we start there are none of either input nor output. */
|
||
out_num = in_num = elem_entries = 0;
|
||
|
||
max = vq->vring.num;
|
||
|
||
i = head;
|
||
|
||
caches = vring_get_region_caches(vq);
|
||
desc_cache = &caches->desc;
|
||
vring_desc_read(vdev, &desc, desc_cache, i);
|
||
......
|
||
/* Collect all the descriptors */
|
||
do {
|
||
bool map_ok;
|
||
|
||
if (desc.flags & VRING_DESC_F_WRITE) {
|
||
map_ok = virtqueue_map_desc(vdev, &in_num, addr + out_num,
|
||
iov + out_num,
|
||
VIRTQUEUE_MAX_SIZE - out_num, true,
|
||
desc.addr, desc.len);
|
||
} else {
|
||
map_ok = virtqueue_map_desc(vdev, &out_num, addr, iov,
|
||
VIRTQUEUE_MAX_SIZE, false,
|
||
desc.addr, desc.len);
|
||
}
|
||
......
|
||
rc = virtqueue_read_next_desc(vdev, &desc, desc_cache, max, &i);
|
||
} while (rc == VIRTQUEUE_READ_DESC_MORE);
|
||
......
|
||
/* Now copy what we have collected and mapped */
|
||
elem = virtqueue_alloc_element(sz, out_num, in_num);
|
||
elem->index = head;
|
||
for (i = 0; i < out_num; i++) {
|
||
elem->out_addr[i] = addr[i];
|
||
elem->out_sg[i] = iov[i];
|
||
}
|
||
for (i = 0; i < in_num; i++) {
|
||
elem->in_addr[i] = addr[out_num + i];
|
||
elem->in_sg[i] = iov[out_num + i];
|
||
}
|
||
|
||
vq->inuse++;
|
||
......
|
||
return elem;
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
我们可以看到，virtio_blk_get_request会调用virtqueue_pop。在这里面，我们能看到对于vring的操作，也即从这里面将客户机里面写入的数据读取出来，放到VirtIOBlockReq结构中。
|
||
|
||
接下来，我们就要调用virtio_blk_handle_request处理这些数据。所以接下来的调用链为：virtio_blk_handle_request->virtio_blk_submit_multireq->submit_requests。
|
||
|
||
```
|
||
static inline void submit_requests(BlockBackend *blk, MultiReqBuffer *mrb,int start, int num_reqs, int niov)
|
||
{
|
||
QEMUIOVector *qiov = &mrb->reqs[start]->qiov;
|
||
int64_t sector_num = mrb->reqs[start]->sector_num;
|
||
bool is_write = mrb->is_write;
|
||
|
||
if (num_reqs > 1) {
|
||
int i;
|
||
struct iovec *tmp_iov = qiov->iov;
|
||
int tmp_niov = qiov->niov;
|
||
qemu_iovec_init(qiov, niov);
|
||
|
||
for (i = 0; i < tmp_niov; i++) {
|
||
qemu_iovec_add(qiov, tmp_iov[i].iov_base, tmp_iov[i].iov_len);
|
||
}
|
||
|
||
for (i = start + 1; i < start + num_reqs; i++) {
|
||
qemu_iovec_concat(qiov, &mrb->reqs[i]->qiov, 0,
|
||
mrb->reqs[i]->qiov.size);
|
||
mrb->reqs[i - 1]->mr_next = mrb->reqs[i];
|
||
}
|
||
|
||
block_acct_merge_done(blk_get_stats(blk),
|
||
is_write ? BLOCK_ACCT_WRITE : BLOCK_ACCT_READ,
|
||
num_reqs - 1);
|
||
}
|
||
|
||
if (is_write) {
|
||
blk_aio_pwritev(blk, sector_num << BDRV_SECTOR_BITS, qiov, 0,
|
||
virtio_blk_rw_complete, mrb->reqs[start]);
|
||
} else {
|
||
blk_aio_preadv(blk, sector_num << BDRV_SECTOR_BITS, qiov, 0,
|
||
virtio_blk_rw_complete, mrb->reqs[start]);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在submit_requests中，我们看到了BlockBackend。这是在qemu启动的时候，打开qcow2文件的时候生成的，现在我们可以用它来写入文件了，调用的是blk_aio_pwritev。
|
||
|
||
```
|
||
BlockAIOCB *blk_aio_pwritev(BlockBackend *blk, int64_t offset,
|
||
QEMUIOVector *qiov, BdrvRequestFlags flags,
|
||
BlockCompletionFunc *cb, void *opaque)
|
||
{
|
||
return blk_aio_prwv(blk, offset, qiov->size, qiov,
|
||
blk_aio_write_entry, flags, cb, opaque);
|
||
}
|
||
|
||
static BlockAIOCB *blk_aio_prwv(BlockBackend *blk, int64_t offset, int bytes,
|
||
void *iobuf, CoroutineEntry co_entry,
|
||
BdrvRequestFlags flags,
|
||
BlockCompletionFunc *cb, void *opaque)
|
||
{
|
||
BlkAioEmAIOCB *acb;
|
||
Coroutine *co;
|
||
acb = blk_aio_get(&blk_aio_em_aiocb_info, blk, cb, opaque);
|
||
acb->rwco = (BlkRwCo) {
|
||
.blk = blk,
|
||
.offset = offset,
|
||
.iobuf = iobuf,
|
||
.flags = flags,
|
||
.ret = NOT_DONE,
|
||
};
|
||
acb->bytes = bytes;
|
||
acb->has_returned = false;
|
||
|
||
co = qemu_coroutine_create(co_entry, acb);
|
||
bdrv_coroutine_enter(blk_bs(blk), co);
|
||
|
||
acb->has_returned = true;
|
||
return &acb->common;
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在blk_aio_pwritev中，我们看到，又是创建了一个协程来进行写入。写入完毕之后调用virtio_blk_rw_complete->virtio_blk_req_complete。
|
||
|
||
```
|
||
static void virtio_blk_req_complete(VirtIOBlockReq *req, unsigned char status)
|
||
{
|
||
VirtIOBlock *s = req->dev;
|
||
VirtIODevice *vdev = VIRTIO_DEVICE(s);
|
||
|
||
trace_virtio_blk_req_complete(vdev, req, status);
|
||
|
||
stb_p(&req->in->status, status);
|
||
virtqueue_push(req->vq, &req->elem, req->in_len);
|
||
virtio_notify(vdev, req->vq);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在virtio_blk_req_complete中，我们先是调用virtqueue_push，更新vring中used变量，表示这部分已经写入完毕，空间可以回收利用了。但是，这部分的改变仅仅改变了qemu后端的vring，我们还需要通知客户机中virtio前端的vring的值，因而要调用virtio_notify。virtio_notify会调用virtio_irq发送一个中断。
|
||
|
||
还记得咱们前面注册过一个中断处理函数vp_interrupt吗？它就是干这个事情的。
|
||
|
||
```
|
||
static irqreturn_t vp_interrupt(int irq, void *opaque)
|
||
{
|
||
struct virtio_pci_device *vp_dev = opaque;
|
||
u8 isr;
|
||
|
||
/* reading the ISR has the effect of also clearing it so it's very
|
||
* important to save off the value. */
|
||
isr = ioread8(vp_dev->isr);
|
||
|
||
/* Configuration change? Tell driver if it wants to know. */
|
||
if (isr & VIRTIO_PCI_ISR_CONFIG)
|
||
vp_config_changed(irq, opaque);
|
||
|
||
return vp_vring_interrupt(irq, opaque);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
就像前面说的一样vp_interrupt这个中断处理函数，一是处理配置变化，二是处理I/O结束。第二种的调用链为：vp_interrupt->vp_vring_interrupt->vring_interrupt。
|
||
|
||
```
|
||
irqreturn_t vring_interrupt(int irq, void *_vq)
|
||
{
|
||
struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
|
||
......
|
||
if (vq->vq.callback)
|
||
vq->vq.callback(&vq->vq);
|
||
|
||
return IRQ_HANDLED;
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
在vring_interrupt中，我们会调用callback函数，这个也是在前面注册过的，是virtblk_done。
|
||
|
||
接下来的调用链为：virtblk_done->virtqueue_get_buf->virtqueue_get_buf_ctx。
|
||
|
||
```
|
||
void *virtqueue_get_buf_ctx(struct virtqueue *_vq, unsigned int *len,
|
||
void **ctx)
|
||
{
|
||
struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
|
||
void *ret;
|
||
unsigned int i;
|
||
u16 last_used;
|
||
......
|
||
last_used = (vq->last_used_idx & (vq->vring.num - 1));
|
||
i = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].id);
|
||
*len = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].len);
|
||
......
|
||
/* detach_buf clears data, so grab it now. */
|
||
ret = vq->desc_state[i].data;
|
||
detach_buf(vq, i, ctx);
|
||
vq->last_used_idx++;
|
||
......
|
||
return ret;
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
在virtqueue_get_buf_ctx中，我们可以看到，virtio前端的vring中的last_used_idx加一，说明这块数据qemu后端已经消费完毕。我们可以通过detach_buf将其放入空闲队列中，留给以后的写入请求使用。
|
||
|
||
至此，整个存储虚拟化的写入流程才全部完成。
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||
## 总结时刻
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||
下面我们来总结一下存储虚拟化的场景下，整个写入的过程。
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- 在虚拟机里面，应用层调用write系统调用写入文件。
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||
- write系统调用进入虚拟机里面的内核，经过VFS，通用块设备层，I/O调度层，到达块设备驱动。
|
||
- 虚拟机里面的块设备驱动是virtio_blk，它和通用的块设备驱动一样，有一个request queue，另外有一个函数make_request_fn会被设置为blk_mq_make_request，这个函数用于将请求放入队列。
|
||
- 虚拟机里面的块设备驱动是virtio_blk会注册一个中断处理函数vp_interrupt。当qemu写入完成之后，它会通知虚拟机里面的块设备驱动。
|
||
- blk_mq_make_request最终调用virtqueue_add，将请求添加到传输队列virtqueue中，然后调用virtqueue_notify通知qemu。
|
||
- 在qemu中，本来虚拟机正处于KVM_RUN的状态，也即处于客户机状态。
|
||
- qemu收到通知后，通过VM exit指令退出客户机状态，进入宿主机状态，根据退出原因，得知有I/O需要处理。
|
||
- qemu调用virtio_blk_handle_output，最终调用virtio_blk_handle_vq。
|
||
- virtio_blk_handle_vq里面有一个循环，在循环中，virtio_blk_get_request函数从传输队列中拿出请求，然后调用virtio_blk_handle_request处理请求。
|
||
- virtio_blk_handle_request会调用blk_aio_pwritev，通过BlockBackend驱动写入qcow2文件。
|
||
- 写入完毕之后，virtio_blk_req_complete会调用virtio_notify通知虚拟机里面的驱动。数据写入完成，刚才注册的中断处理函数vp_interrupt会收到这个通知。
|
||
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## 课堂练习
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请你沿着代码，仔细分析并牢记virtqueue的结构以及写入和读取方式。这个结构在下面的网络传输过程中，还要起大作用。
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欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
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