QEMU源码全解析 —— virtio（2）

接前一篇文章：

本文内容参考：

《趣谈Linux操作系统》 —— 刘超，极客时间

《QEMU/KVM》源码解析与应用 —— 李强，机械工业出版社

特此致谢！

上一回对于virtio进行了简介，并说明了其基本原理以及框架。对于virtio框架，再来回顾一下。

virtio框架如下图所示：

virtio是一种利用半虚拟化技术提供I/O性能的框架，其是一种前后端架构，包括前端驱动（Front-End Driver）和后端设备（Back-End Device）以及自身定义的传输协议。

• 前端驱动

前端驱动为虚拟机内部的virtio模拟设备对应的驱动，每一种前端设备都需要有对应的驱动才能正常运行。前端驱动的主要作用是：1）接收用户态的请求；2）然后按照传输协议将这些请求进行封装；3）再写I/O端口；4）发送一个通知到QEMU的后端设备。

• 后端设备

后端设备则是在QEMU中，用来接收前端驱动发过来的I/O请求，然后从接收的数据中按照传输协议的格式进行解析。对于网卡等需要实际物理设备交互的请求，后端驱动会对物理设备进行操作，从而完成请求，并且会通过中断机制通知前端驱动。

• virtio队列

virtio前端和后端驱动的数据传输通过virtio队列（virtio queue，virtqueue）完成，一个设备会注册若干个virtio队列，每个队列负责处理不同的数据传输。这些队列有的是控制层面的队列、有的是数据层面的队列。virtqueue是通过vring实现的。vring是虚拟机和QEMU之间共享的一段环形缓冲区。当虚拟机需要发送请求到QEMU的时候就准备好数据，将数据描述放到vring中，写一个I/O端口。然后QEMU就能够从vring中读取数据信息，进而从内存中读出数据。QEMU完成请求之后，也将数据结构存放在vring中，前端驱动也就可以从vring中得到数据。

此处也有另外一种观点和视角，将virtio架构分为四层：

• 前端驱动

首先，在虚拟机里面的virtio前端，针对不同类型的设备有不同的驱动程序，但是接口都是统一的。例如，硬盘就是virtio_blk，网络就是virtio_net。

要点：

1）运行在虚拟机中；

2）针对不同类型的设备有不同的驱动程序，但是与后端驱动交互的接口都是统一的；

3）在Qemu+KVM虚拟化环境中，源码位于KVM源码（Guest 内核）中。

• 后端设备（后端驱动）

其次，在宿主机的QEMU里边，实现virtio后端的逻辑，主要就是操作硬件的设备。例如，通过写一个物理机硬盘上的文件来完成虚拟机写入硬盘的操作。再如，向内核协议栈发送一个网络包完成虚拟机对于网络的操作。

要点：

1）运行在宿主机中；

2）实现virtio后端的逻辑，主要是操作硬件设备。比如向内核协议栈发送一个网络包完成虚拟机对于网络的操作。

3）在Qemu+KVM虚拟化环境中，源码位于Qemu源码中。

• virtio层与virtio-ring层

在virtio的前端和后端之间，有一个通信层，里边包括virtio层和virtio-ring层。virtio这一层实现的是虚拟队列接口，算作前后端通信的桥梁；而virtio-ring则是该桥梁的具体实现。

• virtio层

要点：

1）virtio层实现虚拟队列接口，作为前后端通信的桥梁；

2）不同类型的设备使用的虚拟队列数量不同；

3）Linux内核源码/源码位于drivers/virtio/virtio.c中。

• virtio-ring层

要点：

1）virtio-ring层是虚拟队列的具体实现；

2）源码位于Linux内核源码/driver/virtio/virtio_ring.c中。

virtio使用virtqueue进行前端与后端的高速通信。不同类型的设备队列数目不同。virtio-net使用两个队列，一个用于接收、另一个用于发送；而virtio-blk仅使用一个队列。

如果客户机要向宿主机发送数据，则它会将数据的buffer添加到virtqueue中，然后通过写入寄存器通知宿主机。这样宿主机就可以从virtqueue中收到buffer里边的数据了（与前述机制一个意思：当虚拟机需要发送请求到QEMU的时候就准备好数据，将数据描述放到vring中，写一个I/O端口。然后QEMU就能够从vring中读取数据信息，进而从内存中读出数据。QEMU完成请求之后，也将数据结构存放在vring中，前端驱动也就可以从vring中得到数据）。

欲知后事如何，且看下回分解。