kernel 3.10代码分析--KVM相关--KVM_SET_USER_MEMORY_REGION流程
1、基本原理如之前分析，kvm虚拟机实际运行于qemu-kvm的进程上下文中，因此，需要建立虚拟机的物理内存空间(GPA)与qemu-kvm进程的虚拟地址空间(HVA)的映射关系。
虚拟机的物理地址空间实际也是不连续的，分成不同的内存区域(slot)，因为物理地址空间中通常还包括BIOS、MMIO、显存、ISA保留等部分。
qemu-kvm通过ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION来为虚拟机设置内存。主要建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射，从而建立其从GVA到HVA的对应关系，该对应关系主要通过kvm_mem_slot结构体保存，所以实质为设置kvm_mem_slot结构体。
本文简介ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION在内核中的执行流程，qemu-kvm用户态部分暂不包括。
2、基本流程
ioctl vm指令KVM_SET_USER_MEMORY_REGION在内核主要执行流程如下：
kvm_vm_ioctl()
kvm_vm_ioctl_set_memory_region()
kvm_set_memory_region()
__kvm_set_memory_region()
kvm_iommu_unmap_pages() // 原来的slot需要删除，所以需要unmap掉相应的内存区域
install_new_memslots() //将new分配的memslot写入kvm->memslots[]数组中
kvm_free_physmem_slot() // 释放旧内存区域相应的物理内存(HPA)
3、代码分析
kvm_mem_slot结构：
[*]/*
[*]* 由于GPA不能直接用于物理 MMU 进行寻址，所以需要将GPA转换为HVA，
[*]* kvm中利用 kvm_memory_slot 数据结构来记录每一个地址区间(Guest中的物理
[*]* 地址区间)中GPA与HVA的映射关系
[*]*/
[*]struct kvm_memory_slot {
[*] // 虚拟机物理地址(即GPA)对应的页框号
[*] gfn_t base_gfn;
[*] // 当前slot中包含的page数
[*] unsigned long npages;
[*] // 脏页位图
[*] unsigned long *dirty_bitmap;
[*] // 架构相关的部分
[*] struct kvm_arch_memory_slot arch;
[*] /*
[*] * GPA对应的Host虚拟地址(HVA)，由于虚拟机都运行在qemu的地址空间中
[*] * 而qemu是用户态程序，所以通常使用根模式下用户地址空间。
[*] */
[*] unsigned long userspace_addr;
[*] u32 flags;
[*] short id;
[*]};
kvm_vm_ioctl():
[*]/*
[*]* kvm ioctl vm指令的入口，传入的fd为KVM_CREATE_VM中返回的fd。
[*]* 主要用于针对VM虚拟机进行控制，如：内存设置、创建VCPU等。
[*]*/
[*]static long kvm_vm_ioctl(struct file *filp,
[*] unsigned int ioctl, unsigned long arg)
[*]{
[*] struct kvm *kvm = filp->private_data;
[*] void __user *argp = (void __user *)arg;
[*] int r;
[*]
[*] if (kvm->mm != current->mm)
[*] return -EIO;
[*] switch (ioctl) {
[*] // 创建VCPU
[*] case KVM_CREATE_VCPU:
[*] r = kvm_vm_ioctl_create_vcpu(kvm, arg);
[*] break;
[*] // 建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射
[*] case KVM_SET_USER_MEMORY_REGION: {
[*] // 存放内存区域信息的结构体，该内存区域从qemu-kvm进程的用户地址空间中分配
[*] struct kvm_userspace_memory_region kvm_userspace_mem;
[*]
[*] r = -EFAULT;
[*] // 从用户态拷贝相应数据到内核态，入参argp指向用户态地址
[*] if (copy_from_user(&kvm_userspace_mem, argp,
[*] sizeof kvm_userspace_mem))
[*] goto out;
[*] // 进入实际处理流程
[*] r = kvm_vm_ioctl_set_memory_region(kvm, &kvm_userspace_mem);
[*] break;
[*] }
[*]...
kvm_vm_ioctl()-->kvm_vm_ioctl_set_memory_region()-->kvm_set_memory_region()-->__kvm_set_memory_region()
[*]/*
[*]* 建立guest物理地址空间中的内存区域与qemu-kvm虚拟地址空间中的内存区域的映射
[*]* 相应信息由uerspace_memory_region参数传入，而其源头来自于用户态qemu-kvm。每次
[*]* 调用设置一个内存区间。内存区域可以不连续(实际的物理内存区域也经常不连
[*]* 续，因为有可能有保留内存)
[*]*/
[*]int __kvm_set_memory_region(struct kvm *kvm,
[*] struct kvm_userspace_memory_region *mem)
[*]{
[*] int r;
[*] gfn_t base_gfn;
[*] unsigned long npages;
[*] struct kvm_memory_slot *slot;
[*] struct kvm_memory_slot old, new;
[*] struct kvm_memslots *slots = NULL, *old_memslots;
[*] enum kvm_mr_change change;
[*]
[*] // 标记检查
[*] r = check_memory_region_flags(mem);
[*] if (r)
[*] goto out;
[*]
[*] r = -EINVAL;
[*] /* General sanity checks */
[*] // 合规检查，防止用户态恶意传参，导致安全漏洞
[*] if (mem->memory_size & (PAGE_SIZE - 1))
[*] goto out;
[*] if (mem->guest_phys_addr & (PAGE_SIZE - 1))
[*] goto out;
[*] /* We can read the guest memory with __xxx_user() later on. */
[*] if ((mem->slot userspace_addr & (PAGE_SIZE - 1)) ||
[*] !access_ok(VERIFY_WRITE,
[*] (void __user *)(unsigned long)mem->userspace_addr,
[*] mem->memory_size)))
[*] goto out;
[*] if (mem->slot >= KVM_MEM_SLOTS_NUM)
[*] goto out;
[*] if (mem->guest_phys_addr + mem->memory_size guest_phys_addr)
[*] goto out;
[*] // 将kvm_userspace_memory_region->slot转换为kvm_mem_slot结构，该结构从kvm->memslots获取
[*] slot = id_to_memslot(kvm->memslots, mem->slot);
[*] // 内存区域起始位置在Guest物理地址空间中的页框号
[*] base_gfn = mem->guest_phys_addr >> PAGE_SHIFT;
[*] // 内存区域大小转换为page单位
[*] npages = mem->memory_size >> PAGE_SHIFT;
[*]
[*] r = -EINVAL;
[*] if (npages > KVM_MEM_MAX_NR_PAGES)
[*] goto out;
[*]
[*] if (!npages)
[*] mem->flags &= ~KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES;
[*]
[*] new = old = *slot;
[*]
[*] new.id = mem->slot;
[*] new.base_gfn = base_gfn;
[*] new.npages = npages;
[*] new.flags = mem->flags;
[*]
[*] r = -EINVAL;
[*] if (npages) {
[*] // 判断是否需新创建内存区域
[*] if (!old.npages)
[*] change = KVM_MR_CREATE;
[*] // 判断是否修改现有的内存区域
[*] else { /* Modify an existing slot. */
[*] // 修改的区域的HVA不同或者大小不同或者flag中的
[*] // KVM_MEM_READONLY标记不同，直接退出。
[*] if ((mem->userspace_addr != old.userspace_addr) ||
[*] (npages != old.npages) ||
[*] ((new.flags ^ old.flags) & KVM_MEM_READONLY))
[*] goto out;
[*] /*
[*] * 走到这，说明被修改的区域HVA和大小都是相同的
[*] * 判断区域起始的GFN是否相同，如果是，则说明需
[*] * 要在Guest物理地址空间中move这段区域，设置KVM_MR_MOVE标记
[*] */
[*] if (base_gfn != old.base_gfn)
[*] change = KVM_MR_MOVE;
[*] // 如果仅仅是flag不同，则仅修改标记，设置KVM_MR_FLAGS_ONLY标记
[*] else if (new.flags != old.flags)
[*] change = KVM_MR_FLAGS_ONLY;
[*] // 否则，啥也不干
[*] else { /* Nothing to change. */
[*] r = 0;
[*] goto out;
[*] }
[*] }
[*] } else if (old.npages) {/*如果新设置的区域大小为0，而老的区域大小不为0，则表示需要删除原有区域。*/
[*] change = KVM_MR_DELETE;
[*] } else /* Modify a non-existent slot: disallowed. */
[*] goto out;
[*]
[*] if ((change == KVM_MR_CREATE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
[*] /* Check for overlaps */
[*] r = -EEXIST;
[*] // 检查现有区域中是否重叠的
[*] kvm_for_each_memslot(slot, kvm->memslots) {
[*] if ((slot->id >= KVM_USER_MEM_SLOTS) ||
[*] (slot->id == mem->slot))
[*] continue;
[*] if (!((base_gfn + npages base_gfn) ||
[*] (base_gfn >= slot->base_gfn + slot->npages)))
[*] goto out;
[*] }
[*] }
[*]
[*] /* Free page dirty bitmap if unneeded */
[*] if (!(new.flags & KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES))
[*] new.dirty_bitmap = NULL;
[*]
[*] r = -ENOMEM;
[*] // 如果需要创建新区域
[*] if (change == KVM_MR_CREATE) {
[*] new.userspace_addr = mem->userspace_addr;
[*] // 设置新的内存区域架构相关部分
[*] if (kvm_arch_create_memslot(&new, npages))
[*] goto out_free;
[*] }
[*]
[*] /* Allocate page dirty bitmap if needed */
[*] if ((new.flags & KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES) && !new.dirty_bitmap) {
[*] if (kvm_create_dirty_bitmap(&new) memslots的副本
[*] slots = kmemdup(kvm->memslots, sizeof(struct kvm_memslots),
[*] GFP_KERNEL);
[*] if (!slots)
[*] goto out_free;
[*] slot = id_to_memslot(slots, mem->slot);
[*] slot->flags |= KVM_MEMSLOT_INVALID;
[*] // 安装新memslots，返回旧的memslots
[*] old_memslots = install_new_memslots(kvm, slots, NULL);
[*]
[*] /* slot was deleted or moved, clear iommu mapping */
[*] // 原来的slot需要删除，所以需要unmap掉相应的内存区域
[*] kvm_iommu_unmap_pages(kvm, &old);
[*] /* From this point no new shadow pages pointing to a deleted,
[*] * or moved, memslot will be created.
[*] *
[*] * validation of sp->gfn happens in:
[*] * - gfn_to_hva (kvm_read_guest, gfn_to_pfn)
[*] * - kvm_is_visible_gfn (mmu_check_roots)
[*] */
[*] // flush影子页表中的条目
[*] kvm_arch_flush_shadow_memslot(kvm, slot);
[*] slots = old_memslots;
[*] }
[*] // 处理private memory slots，对其分配用户态地址，即HVA
[*] r = kvm_arch_prepare_memory_region(kvm, &new, mem, change);
[*] if (r)
[*] goto out_slots;
[*]
[*] r = -ENOMEM;
[*] /*
[*] * We can re-use the old_memslots from above, the only difference
[*] * from the currently installed memslots is the invalid flag. This
[*] * will get overwritten by update_memslots anyway.
[*] */
[*] if (!slots) {
[*] slots = kmemdup(kvm->memslots, sizeof(struct kvm_memslots),
[*] GFP_KERNEL);
[*] if (!slots)
[*] goto out_free;
[*] }
[*]
[*] /*
[*] * IOMMU mapping: New slots need to be mapped. Old slots need to be
[*] * un-mapped and re-mapped if their base changes. Since base change
[*] * unmapping is handled above with slot deletion, mapping alone is
[*] * needed here. Anything else the iommu might care about for existing
[*] * slots (size changes, userspace addr changes and read-only flag
[*] * changes) is disallowed above, so any other attribute changes getting
[*] * here can be skipped.
[*] */
[*] if ((change == KVM_MR_CREATE) || (change == KVM_MR_MOVE)) {
[*] r = kvm_iommu_map_pages(kvm, &new);
[*] if (r)
[*] goto out_slots;
[*] }
[*]
[*] /* actual memory is freed via old in kvm_free_physmem_slot below */
[*] if (change == KVM_MR_DELETE) {
[*] new.dirty_bitmap = NULL;
[*] memset(&new.arch, 0, sizeof(new.arch));
[*] }
[*] //将new分配的memslot写入kvm->memslots[]数组中
[*] old_memslots = install_new_memslots(kvm, slots, &new);
[*]
[*] kvm_arch_commit_memory_region(kvm, mem, &old, change);
[*] // 释放旧内存区域相应的物理内存(HPA)
[*] kvm_free_physmem_slot(&old, &new);
[*] kfree(old_memslots);
[*]
[*] return 0;
[*]
[*]out_slots:
[*] kfree(slots);
[*]out_free:
[*] kvm_free_physmem_slot(&new, &old);
[*]out:
[*] return r;
[*]}
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