QEMU源码全解析 —— virtio（29）

于 2024-03-09 08:05:51 发布
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分类专栏： QEMU/KVM 文章标签： QEMU KVM virtio
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本文链接： https://blog.csdn.net/phmatthaus/article/details/136542006
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本文详细解析了QEMU源码中的virtio结构，重点介绍了virtqueue及其相关结构体，包括struct virtqueue、struct vring_desc、struct vring_avail、struct vring_used等，阐述了它们在数据传输中的作用和功能。
摘要由CSDN通过智能技术生成

接前一篇文章：

本文内容参考：

https://note.youdao.com/ynoteshare/index.html?id=f247acce8c21eb4ca4a7e37403f065f9&type=note&_time=1633000040495

特此致谢！

上回书说到setup_vq函数的第4步：调用vring_create_virtqueue函数实际生成virtqueue。在开始要详细解析其中的两个核心函数vring_create_virtqueue_packed()和vring_create_virtqueue_split()的时候，笔者觉得应该藉此机会先介绍一下与virtqueue创建流程相关的 结构体 ，之前一直没有整体地对于virtqueue创建流程乃至整个virtio中的结构体进行系统地讲解，在这里、在这个节骨眼上正是好时机。

上一回先介绍了3个结构，分别是：struct virtio_device、struct virtio_device_id和struct virtio_config_ops。接下来继续往下讲解其它重要结构。

（4）virtqueue结构

struct virtqueue的定义在 Linux 内核源码/include/linux/virtio.h中，代码如下： 

  1. /**
  2.  * struct virtqueue - a queue to register buffers for sending or receiving.
  3.  * @list: the chain of virtqueues for this device
  4.  * @callback: the function to call when buffers are consumed (can be NULL).
  5.  * @name: the name of this virtqueue (mainly for debugging)
  6.  * @vdev: the virtio device this queue was created for.
  7.  * @priv: a pointer for the virtqueue implementation to use.
  8.  * @index: the zero-based ordinal number for this queue.
  9.  * @num_free: number of elements we expect to be able to fit.
  10.  * @num_max: the maximum number of elements supported by the device.
  11.  * @reset: vq is in reset state or not.
  12.  *
  13.  * A note on @num_free: with indirect buffers, each buffer needs one
  14.  * element in the queue, otherwise a buffer will need one element per
  15.  * sg element.
  16.  */
  17. struct virtqueue {
  18. 	struct list_head list;
  19. 	void (*callback)(struct virtqueue *vq);
  20. 	const char *name;
  21. 	struct virtio_device *vdev;
  22. 	unsigned int index;
  23. 	unsigned int num_free;
  24. 	unsigned int num_max;
  25. 	bool reset;
  26. 	void *priv;
  27. };

struct virtqueue是用于在虚拟化环境中进行数据传输的数据结构。它是在Linux内核中实现的一种机制，用于在宿主机和 虚拟机 之间进行高效的数据传输。

struct virtqueue的各成员详细描述如下：

  • struct list_head list

此设备的virtqueues链。加入virtio_device的vqs链表。

  • void (*callback)(struct virtqueue *vq)

当缓冲区被消费时要调用的函数（可以为NULL）。virtqueue被触发中断时执行的回调函数。

  • const char *name

此virtqueue的名字（主要用于调试）。

  • struct virtio_device *vdev

创建此队列的virtio设备，即此virtqueue所属的virtio_device。

  • unsigned int index

此队列的从零开始的序数，即virtqueue的索引编号。

  • unsigned int num_free

期望能够适应的元素数量。即virtqueue中空闲的descriptor个数。

  • unsigned int num_max

设备支持的最大元素数。即virtqueue中最大的descriptor个数。

  • bool reset

vq是否处于重置状态。

  • void *priv

virtqueue实现所使用的指针。

（5）vring相关结构

struct vring的定义在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h中，代码如下： 

  1. struct vring {
  2. 	unsigned int num;
  3.  
  4. 	vring_desc_t *desc;
  5.  
  6. 	vring_avail_t *avail;
  7.  
  8. 	vring_used_t *used;
  9. };

struct vring是用于实现虚拟环的数据结构，常用于虚拟化技术中的设备模拟和设备驱动程序之间的通信。它通常由三个部分组成：描述符表和可用、已用环。

struct vring的各成员详细描述如下：

  • unsigned int num

表示virtqueue的大小，也就是这个vring的descriptor（vring_desc）的个数。

  • vring_desc_t *desc

描述符表（descriptor table）。

  • vring_avail_t *avail

available ring，前端驱动（Guest）生产，后端设备（Host）消费。

  • vring_used_t *used

used ring，后端设备（Host）生产，前端驱动（Guest）消费。

struct vring中的desc、avail、used分别表示descriptor table、available ring、used ring的起始地址。

图片引自： VirtIO实现原理——数据传输演示-CSDN博客

（6）vring_desc_t结构（vring_desc结构）

vring_desc_t的定义在同文件（Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h）中定义（就在上边），如下： 

  1. typedef struct vring_desc __attribute__((aligned(VRING_DESC_ALIGN_SIZE)))
  2. 	vring_desc_t;

struct vring_desc的定义也在Linux内核源码//include/uapi/linux/virtio_ring.h中，代码如下： 

  1. /**
  2.  * struct vring_desc - Virtio ring descriptors,
  3.  * 16 bytes long. These can chain together via @next.
  4.  *
  5.  * @addr: buffer address (guest-physical)
  6.  * @len: buffer length
  7.  * @flags: descriptor flags
  8.  * @next: index of the next descriptor in the chain,
  9.  *        if the VRING_DESC_F_NEXT flag is set. We chain unused
  10.  *        descriptors via this, too.
  11.  */
  12. struct vring_desc {
  13. 	__virtio64 addr;
  14. 	__virtio32 len;
  15. 	__virtio16 flags;
  16. 	__virtio16 next;
  17. };

struct vring_desc表示virtio环（虚拟环）描述符，是用于描述虚拟环的数据结构，它在虚拟化技术中被广泛使用。虚拟环是一种用于在虚拟机和宿主机之间传递数据的机制。

struct vring_desc的各成员详细描述如下：

  • __virtio64 addr

I/O的物理地址（GPA）。

  • __virtio32 len

I/O的长度，通常是一个固定值。

  • __virtio16 flags

描述符的标志位，用于表示当前描述符的状态或属性。

flags可以是VRING_DESC_F_NEXT，表示这段I/O包括下一个连续的vring_desc；也可以是VRING_DESC_F_WRITE，表示这段I/O是只写的（对设备而言）；还可以是VRING_DESC_F_INDIRECT，表示这段I/O由不连续的vring_desc构成。

VRING_DESC_F_NEXT、VRING_DESC_F_WRITE、VRING_DESC_F_INDIRECT的定义在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h中，如下： 

  1. /* This marks a buffer as continuing via the next field. */
  2. #define VRING_DESC_F_NEXT	1
  3. /* This marks a buffer as write-only (otherwise read-only). */
  4. #define VRING_DESC_F_WRITE	2
  5. /* This means the buffer contains a list of buffer descriptors. */
  6. #define VRING_DESC_F_INDIRECT	4
  • __virtio16 next

指向下一个描述符（vring_desc）的索引，用于构建描述符链表。

（7）vring_avail_t结构（vring_avail结构）

vring_avail_t的定义在同文件（Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h）中定义（就在上边），如下： 

  1. typedef struct vring_avail __attribute__((aligned(VRING_AVAIL_ALIGN_SIZE)))
  2. 	vring_avail_t;

struct vring_avail的定义也在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h中，代码如下： 

  1. struct vring_avail {
  2. 	__virtio16 flags;
  3. 	__virtio16 idx;
  4. 	__virtio16 ring[];
  5. };

struct vring_avail是用于描述virtio环（虚拟环）的可用环的数据结构。

struct vring_avail的各成员详细描述如下：

  • __virtio16 flags

标志位，用于指示可用环的状态。virtio_avail中，flags通常不用。

  • __virtio16 idx

指示下一个可用的描述符的索引。即下一次virtio驱动应该写ring数组的哪一个。

  • __virtio16 ring[]

一个数组，用于存储可用的描述符的索引。也就是说，ring是一个索引数组，其大小为virtqueue的大小，其中存放的是vring_desc的索引，表示这次的I/O数据。

仍以上图为例：

（8）vring_used_t 结构（vring_used 结构）

vring_used_t的定义在同文件（Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h）中定义（就在上边），如下： 

  1. typedef struct vring_used __attribute__((aligned(VRING_USED_ALIGN_SIZE)))
  2. 	vring_used_t;

struct vring_used的定义也在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h中，代码如下： 

  1. struct vring_used {
  2. 	__virtio16 flags;
  3. 	__virtio16 idx;
  4. 	vring_used_elem_t ring[];
  5. };

struct vring_used是用于描述virtio环（虚拟环）的已使用的缓冲区的数据结构。它通常在虚拟化技术中用于实现共享内存的数据传输。

struct vring_used的各成员详细描述如下：

  • __virtio16 flags

标志位，用于指示已用环的状态。vring_used中，flags也通常不用。

  • __virtio16 idx

指示下一次virtio设备应该写ring数组的哪一个。

  • vring_used_elem_t ring[]

表示一个索引数组，其大小为virtqueue的大小。ring[]中的项有两部分：第一部分是id，表示所使用descriptor table中的索引；第二部分是len，表示本次virtio设备总共写了多少数据。

（9）vring_used_elem_t结构（vring_used_elem结构）

vring_used_elem_t的定义在同文件（Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h）中定义，如下： 

  1. typedef struct vring_used_elem __attribute__((aligned(VRING_USED_ALIGN_SIZE)))
  2. 	vring_used_elem_t;

struct vring_used_elem的定义也在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ring.h中，代码如下： 

  1. /* u32 is used here for ids for padding reasons. */
  2. struct vring_used_elem {
  3. 	/* Index of start of used descriptor chain. */
  4. 	__virtio32 id;
  5. 	/* Total length of the descriptor chain which was used (written to) */
  6. 	__virtio32 len;
  7. };

struct vring_used_elem是用于描述virtio设备中已使用的缓冲区元素的结构体。在virtio设备中，用于数据传输的缓冲区被分为两个部分：可用环（available ring）和已使用环（used ring）。可用环用于通知设备有新的缓冲区可供使用，而已使用环则用于通知驱动程序设备已经使用了哪些缓冲区。

struct vring_used_elem的各成员详细描述如下（在struct vring_used中已讲过）：

  • __virtio32 id

表示已使用的descriptor table的索引。

  • __virtio32 len

表示已使用的缓冲区的长度。即本次virtio设备总共写了多少数据。

至此，virtio相关的、尤其是virtqueue、vring相关的数据结构就交代清楚了。

欲知后事如何，且看下回分解。

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