KVM虚拟机IO处理过程(一) ----Guest VM I/O 处理过程

KVM虚拟机I/O处理详解：Guest VM到物理设备的过程

最新推荐文章于 2024-03-28 22:41:14 发布

dashulu

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分类专栏： kvm 文章标签： linux内核虚拟化 kvm IO page cache

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dashulu/article/details/16820281

本文探讨了虚拟化技术中的磁盘设备虚拟化，重点关注在Linux内核3.7.10和KVM/qemu 1.6.1环境下，Guest VM的读操作如何通过虚拟文件系统、文件系统层、Page cache、通用块层、I/O调度层和块设备驱动层，最终到达物理设备的详细过程。介绍了每个层次的功能，如Page cache缓存数据以减少块设备访问，I/O调度层合并请求以优化性能。

虚拟化技术主要包含三部分内容:CPU虚拟化,内存虚拟化,设备虚拟化.本系列文章主要描述磁盘设备的虚拟化过程,包含了一个读操作的I/O请求如何从Guest Vm到其最终被处理的整个过程.本系列文章中引用到的linux内核代码版本为3.7.10,使用的虚拟化平台是KVM,qemu的版本是1.6.1.

用户程序想要访问IO设备需要调用操作系统提供的接口,即系统调用.当在用户程序中调用一个read操作时,系统先保存好read操作的参数,然后调用int 80命令(也可能是sysenter)进入内核空间,在内核空间中,读操作的逻辑由sys_read函数实现.

在讲sys_read的实现过程之前,我们先来看看read操作在内核空间需要经历的层次结构.从图中可以看出,read操作首先经过虚拟文件系统曾(vfs), 接下来是具体的文件系统层,Page cache层,通用块层(generic block layer),I/O调度层(I/O scheduler layer),块设备驱动层(block device driver layer),最后是块物理设备层(block device layer).

虚拟文件系统层:该层屏蔽了下层的具体操作,为上层提供统一的接口,如vfs_read,vfs_write等.vfs_read,vfs_write通过调用下层具体文件系统的接口来实现相应的功能.
具体文件系统层:该层针对每一类文件系统都有相应的操作和实现了,包含了具体文件系统的处理逻辑.
page cache层:该层缓存了从块设备中获取的数据.引入该层的目的是避免频繁的块设备访问,如果在page cache中已经缓存了I/O请求的数据,则可以将数据直接返回,无需访问块设备.
通过块层:接收上层的I/O请求,并最终发出I/O请求.该层向上层屏蔽了下层设备的特性.
I/O调度层: 接收通用块层发出的 IO 请求，缓存请求并试图合并相邻的请求（如果这两个请求的数据在磁盘上是相邻的）。并根据设置好的调度算法，回调驱动层提供的请求处理函数，以处理具体的 IO 请求
块设备驱动层:从上层取出请求,并根据参数,操作具体的设备.
块设备层:真正的物理设备.

了解了内核层次的结构,让我们来看一下read操作的代码实现.

sys_read函数声明在include/linux/syscalls.h文件中,

asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);

其函数实现在fs/read_write.c文件中:

SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
{
	struct fd f = fdget(fd);
	ssize_t ret = -EBAD

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