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虚拟化技术 - CPU虚拟化

2023-05-11 05:55:27
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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VMREADVMWRITE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。

 

参考:

《系统虚拟化 - 原理与实现》

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