QEMU源码全解析 —— 内存虚拟化（3）

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本文深入探讨QEMU中的MemoryRegion结构，它是内存模拟的核心，构成无环图来模拟整个内存。MemoryRegion是树状结构，表示虚拟机内存区域，包括RAM、MMIO等类型。内存区域通过MemoryRegionOps的回调函数处理读写操作，具有层级关系和优先级，用于管理虚拟机的物理地址空间和设备模拟。

摘要由CSDN通过智能技术生成

接前一篇文章： QEMU源码全解析 —— 内存虚拟化（2）

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

QEMU内存管理模型

浅谈QEMU Memory Region 与 Address Space

特此致谢！

QEMU 内存初始化

1. 基本结构

上一回讲解了QEMU中与内存相关的第一个数据结构AddressSpace，并初步介绍了第二个基本数据结MemoryRegion以及这两者之间的关系。本回对于MemoryRegion结构进行深入讲解。

（2）MemoryRegion

MemoryRegion表示的是 虚拟机中的一段内存区域 。 MemoryRegion是内存模拟中的核心结构 ， 整个内存的模拟都是通过MemoryRegion构成的无环图完成 的。图的叶子节点是实际分配给虚拟机的物理内存或者MMIO，中间节点则表示内存总线，内存控制是其它MemoryRegion的别名。

MemoryRegion是一个树状结构。每个MemoryRegion里会有一个链表头维护child region，还有一个链表单元subregions_link用于挂接到上一级的sub_region链表上，还有向上查找的container指针指向父节点。所以MemoryRegion并不是并列的多个地址块组成（一级链表维护就可以），而是有层级关系的。

为了便于理解，再次贴出struct MemoryRegion的定义，在include/exec/memory.h中，代码如下：


/** MemoryRegion:
 *
 * A struct representing a memory region.
 */
struct MemoryRegion {
    Object parent_obj;
 
    /* private: */
 
    /* The following fields should fit in a cache line */
    bool romd_mode;
    bool ram;
    bool subpage;
    bool readonly; /* For RAM regions */
    bool nonvolatile;
    bool rom_device;
    bool flush_coalesced_mmio;
    uint8_t dirty_log_mask;
    bool is_iommu;
    RAMBlock *ram_block;
    Object *owner;
    /* owner as TYPE_DEVICE. Used for re-entrancy checks in MR access hotpath */
    DeviceState *dev;
 
    const MemoryRegionOps *ops;
    void *opaque;
    MemoryRegion *container;
    int mapped_via_alias; /* Mapped via an alias, container might be NULL */
    Int128 size;
    hwaddr addr;
    void (*destructor)(MemoryRegion *mr);
    uint64_t align;
    bool terminates;
    bool ram_device;
    bool enabled;
    bool warning_printed; /* For reservations */
    uint8_t vga_logging_count;
    MemoryRegion *alias;
    hwaddr alias_offset;
    int32_t priority;
    QTAILQ_HEAD(, MemoryRegion) subregions;
    QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link;
    QTAILQ_HEAD(, CoalescedMemoryRange) coalesced;
    const char *name;
    unsigned ioeventfd_nb;
    MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;
    RamDiscardManager *rdm; /* Only for RAM */
 
    /* For devices designed to perform re-entrant IO into their own IO MRs */
    bool disable_reentrancy_guard;
};

对其中比较重要的成员说明如下：

RAMBlock *ram_block

ram_block表示实际分配的物理内存。后文书会详细分析。

const MemoryRegionOps *ops

ops 里面是一组回调函数，在对MemoryRegion进行操作时会被调用，如MMIO的读写请求。

MemoryRegion *container

container表示该MemoryRegion所处的上一级MemoryRegion。

hwaddr addr

addr表示该MemoryRegion所在的虚拟机的物理地址。

bool terminates

terminates用来指示是否是叶子节点。

int32_t priority

priority用于指示MemoryRegion的优先级。

QTAILQ_HEAD(, MemoryRegion) subregions

subregions将该MemoryRegion所属的子MemoryRegion连接起来。

QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link

subregions_link则用来连接同一个父MemoryRegion下的相同兄弟。

为了便于理解，再次贴出上一回的AddressSpace与MemoryRegion关系图，其实也是MemoryRegion结构拓扑图。

关于MemoryRegion，有以下更多、更进一步说明：

1）MemoryRegion里有基础的hwaddr和size，是针对GUEST视角的地址，即GPA（Guest Physical Addr，客户机物理地址）。还有一个offset；

2）父子MemoryRegion之间是从属关系，每个MemoryRegion涵盖自己所有的child region空间；

3）同一个MemoryRegion下的child列表是并列的，但未必是互斥的，如果有重复的地址空间，则会根据优先级来选择；

4）最上层的MemoryRegion记录在AddressSpace的root变量；

5）有一点需要注意，QEMU里面维护的是整个地址空间，因此MemoryRegion虽然名字是“Memory”，但实际上它并非只针对内存。除了内存，还包括PCI bar空间（memory）、config空间（io/memory）等。guest对所有地址空间的访问，都要由它接管。

常见的MemoryRegion有如下几类：

RAM

host上 一段实际 分配给虚拟机作为物理内存的虚拟内存 。内存Memory和Cache就是RAM类型。

创建接口为：

memory_region_init_ram() —— 通用的

memory_region_init_resizeable_ram()、 memory_region_init_ram_from_file()、memory_region_init_ram_ptr() —— 特殊的

MMIO

guest的一段内存 ，但是 在宿主机上没有对应的虚拟内存 ，而是截获对这个区域的访问，调用对应读写函数，用在设备模拟中。

用于host callbacks创建的guest memory，如每次read or write操作会导致host的一个callback。

创建接口为：

memory_region_init_io()

ROM

与RAM类似，只是该类型内存只有只读属性，无法写入。主要用于闪存，比如存OS的加载器。

创建接口为：

memory_region_init_rom()

ROM device

其在读方面类似于RAM，而在写方面类似于MMIO，写入会调用对应的写回调函数。像RAM一样read，同时write会调用host callback的device。

创建接口为：

memory_region_init_rom_device()

IOMMU

有IOMMU职责的region，即能将地址直接翻译到目标的memory region，只能用于IOMMU device。

创建接口为：

memory_region_init_iommu()

container

包含若干个MemoryRegion，每一个Region在这个container中的偏移都不一样 。container主要用来将多个MemoryRegion合并成一个，如PCI的MemoryRegion就会包括RAM的MMIO。一般来说，container中的region不会重合，但有的时候也有例外。

顾名思义，包含了其它的mr，记录每个mr的offset。container可以管理多个mr为一个单位，十分有用。例如，一个PCI BAR可能包含了一个RAM region和一个MMIO region。

创建接口为：

memory_region_init()

alias

region的另一部分，可以使一个region被分成几个不连续的部分。

通常情况下，MemoryRegion并不会重叠，当解析一个地址时，只会落入一个MemoryRegion；而有些时候，让MemoryRegion重合也比较有用。但是当MemoryRegion重合时，就需要有一种机制决定到底让哪一个对虚拟机可见，这就是MemoryRegion结构体中priority的作用。

一个region的子集。允许将一个region分解成不连续的子region。

创建接口为：

memory_region_add_subregion() —— 用于将一个已存在的region加入到某个container中

memory_region_init_alias() —— 用于创建一个新的region

以上是从具体的MemoryRegion类型来划分的，从更大的层面可以将MemoryRegion划分为以下三种：

根级MemoryRegion

直接 通过memory_region_init函数初始化 ， 没有自己的内存 ，用于管理subregion。如 system_memory。

实体MemoryRegion

通过memory_region_init_ram函数初始化 ， 有自己的内存 （从QEMU进程地址空间中分配），大小为 size。如ram_memory（pc.ram）、pci_memory（pci）等。这种MemoryRegion中真正的分配物理内存，最主要的就是pc.ram和pci。分配的物理内存的作用分别是内存、PCI地址空间以及fireware空间。QEMU是用户空间代码，分配的物理内存返回的是HVA（Host Virtual Address ），HVA保存至RAMBlock的host域。通过实体MemoryRegion对应的RAMBlock可以管理HVA。

别名MemoryRegion

通过memory_region_init_alias函数初始化 ， 没有自己的内存 ， 表示实体MemoryRegion （如 pc.ram） 的一部分 。通过alias成员指向实体MemoryRegion，alias_offset代表了该别名MemoryRegion所代表的内存起始GPA相对于实体MemoryRegion所代表的内存起始GPA的偏移量，如ram_below_4g、ram_above_4g等。

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