QEMU源码全解析 —— 内存虚拟化（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

QEMU内存管理模型

特此致谢！

QEMU内存初始化

1. 基本结构

在开始介绍内存初始化的时候，首先需要对QEMU中几个与内存相关的数据结构进行介绍。

（1）AddressSpace

首先是AddressSpace结构。AddressSpace结构用来表示一个虚拟机或者虚拟CPU能够访问的所有物理地址。注意，这里的“访问”和“能够访问”并不是一回事。与进程的地址空间一样，一个进程的虚拟地址空间为4GB（32位），但这并不是说操作系统需要为进程分配这么大的空间。同样，QEMU中的AddressSpace表示的是一段地址空间，整个系统可以有一个全局的地址空间，CPU可以有自己的地址空间视角，设备也可以有自己的地址空间视角。

AddressSpace的意义从名字就可以看出，是针对整个地址空间，最顶层的内存管理结构。对于x86架构来说，其实是有两种寻址方式的，一种是memory一种是IO。相应的QEMU会维护两个AddressSpace结构，address_space_memory和address_space_io。

AddressSpace的定义在include/qemu/typedefs.h中，如下：

typedef struct AddressSpace AddressSpace;

而struct AddressSpace的定义在include/exec/memory.h中，代码如下：

/*** struct AddressSpace: describes a mapping of addresses to #MemoryRegion objects*/
struct AddressSpace {/* private: */struct rcu_head rcu;char *name;MemoryRegion *root;/* Accessed via RCU.  */struct FlatView *current_map;int ioeventfd_nb;struct MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;QTAILQ_HEAD(, MemoryListener) listeners;QTAILQ_ENTRY(AddressSpace) address_spaces_link;
};

根据struct AddressSpace的注释，此结构描述了一个到MemoryRegion对象的地址映射。

其中：

  • MemoryRegion *root成员表示AddressSpace对应的一个根MemoryRegion。
  • struct FlatView *current_map成员表示该地址空间是一个平坦模式下的视图。
  • QEMU的其它子系统可以注册地址变更的事件，所有注册的信息都通过QTAILQ_HEAD(, MemoryListener) listeners成员连接起来。
  • 所有的AddressSpace通过address_spaces_link这个node连接起来（QTAILQ_ENTRY(AddressSpace) address_spaces_link），链表头是address_spaces。

AddressSpace的定义其实比较简单，有两个QEMU内存管理框架的核心结构，就是MemoryRegion和FlatView，两者配合使用，MemoryRegion是基础（MemoryRegion），用于正向管理；Flatview用于反向查找。

对于一个地址空间（AddressSpace），会有多个内存区域（MemoryRegion）组成树型结构。这其中，root是这棵树的根。另外，还有一个MemoryListener链表，当内存区域发生变化的时候，需要做一些动作，使得用户态和内核态能够协同，就是由这些MemoryListener来完成的。

在QEMU monitor中输入“info qtree”，可以看到所有的AddressSpace，如下所示：

$ qemu-system-x86_64 -vnc :1 -monitor stdio
QEMU 6.2.0 monitor - type 'help' for more information
(qemu) info mtree
address-space: memory0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): system0000000000000000-0000000007ffffff (prio 0, ram): alias ram-below-4g @pc.ram 0000000000000000-0000000007ffffff0000000000000000-ffffffffffffffff (prio -1, i/o): pci00000000000a0000-00000000000bffff (prio 1, i/o): vga-lowmem00000000000c0000-00000000000dffff (prio 1, rom): pc.rom00000000000e0000-00000000000fffff (prio 1, rom): alias isa-bios @pc.bios 0000000000020000-000000000003ffff00000000fd000000-00000000fdffffff (prio 1, ram): vga.vram00000000feb80000-00000000feb9ffff (prio 1, i/o): e1000-mmio00000000febb0000-00000000febb0fff (prio 1, i/o): vga.mmio00000000febb0000-00000000febb017f (prio 0, i/o): edid00000000febb0400-00000000febb041f (prio 0, i/o): vga ioports remapped00000000febb0500-00000000febb0515 (prio 0, i/o): bochs dispi interface00000000febb0600-00000000febb0607 (prio 0, i/o): qemu extended regs00000000fffc0000-00000000ffffffff (prio 0, rom): pc.bios00000000000a0000-00000000000bffff (prio 1, i/o): alias smram-region @pci 00000000000a0000-00000000000bffff00000000000c0000-00000000000c3fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c0000-00000000000c3fff00000000000c4000-00000000000c7fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c4000-00000000000c7fff00000000000c8000-00000000000cbfff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c8000-00000000000cbfff00000000000cb000-00000000000cdfff (prio 1000, ram): alias kvmvapic-rom @pc.ram 00000000000cb000-00000000000cdfff00000000000cc000-00000000000cffff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000cc000-00000000000cffff00000000000d0000-00000000000d3fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d0000-00000000000d3fff00000000000d4000-00000000000d7fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d4000-00000000000d7fff00000000000d8000-00000000000dbfff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d8000-00000000000dbfff00000000000dc000-00000000000dffff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 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(prio 0, i/o): ide00000000000001ce-00000000000001d1 (prio 0, i/o): vbe00000000000001f0-00000000000001f7 (prio 0, i/o): ide0000000000000376-0000000000000376 (prio 0, i/o): ide0000000000000378-000000000000037f (prio 0, i/o): parallel00000000000003b4-00000000000003b5 (prio 0, i/o): vga00000000000003ba-00000000000003ba (prio 0, i/o): vga00000000000003c0-00000000000003cf (prio 0, i/o): vga00000000000003d4-00000000000003d5 (prio 0, i/o): vga00000000000003da-00000000000003da (prio 0, i/o): vga00000000000003f1-00000000000003f5 (prio 0, i/o): fdc00000000000003f6-00000000000003f6 (prio 0, i/o): ide00000000000003f7-00000000000003f7 (prio 0, i/o): fdc00000000000003f8-00000000000003ff (prio 0, i/o): serial00000000000004d0-00000000000004d0 (prio 0, i/o): elcr00000000000004d1-00000000000004d1 (prio 0, i/o): elcr0000000000000510-0000000000000511 (prio 0, i/o): fwcfg0000000000000514-000000000000051b (prio 0, i/o): fwcfg.dma0000000000000600-000000000000063f (prio 0, i/o): 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0, rom): pc.bios00000000000a0000-00000000000bffff (prio 1, i/o): alias smram-region @pci 00000000000a0000-00000000000bffff00000000000c0000-00000000000c3fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c0000-00000000000c3fff00000000000c4000-00000000000c7fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c4000-00000000000c7fff00000000000c8000-00000000000cbfff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000c8000-00000000000cbfff00000000000cb000-00000000000cdfff (prio 1000, ram): alias kvmvapic-rom @pc.ram 00000000000cb000-00000000000cdfff00000000000cc000-00000000000cffff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000cc000-00000000000cffff00000000000d0000-00000000000d3fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d0000-00000000000d3fff00000000000d4000-00000000000d7fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d4000-00000000000d7fff00000000000d8000-00000000000dbfff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000d8000-00000000000dbfff00000000000dc000-00000000000dffff 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00000000000e0000-00000000000e3fff00000000000e4000-00000000000e7fff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000e4000-00000000000e7fff00000000000e8000-00000000000ebfff (prio 1, ram): alias pam-ram @pc.ram 00000000000e8000-00000000000ebfff00000000000ec000-00000000000effff (prio 1, ram): alias pam-ram @pc.ram 00000000000ec000-00000000000effff00000000000f0000-00000000000fffff (prio 1, ram): alias pam-rom @pc.ram 00000000000f0000-00000000000fffff00000000fec00000-00000000fec00fff (prio 0, i/o): ioapic00000000fed00000-00000000fed003ff (prio 0, i/o): hpet00000000fee00000-00000000feefffff (prio 4096, i/o): apic-msi
  • address-space: memory

第一个是系统全局的AddressSpace，表示虚拟机能够访问的所有地址。

  • address-space: I/O

I/O表示x86系统下I/O端口的地址空间。

  • address-space: cpu-memory-0

cpu-memory-x表示CPU视角下的地址空间。

  • i440FX和PIIX3

i440FX和PIIX3是设备视角下的地址空间，虽然大部分情况下很多都是相同的，但是逻辑意义并不一样。

至此，QEMU中与内存相关的第一个数据结构AddressSpace就讲解完了。

（2）MemoryRegion

第二个是基本数据结构是MemoryRegion。MemoryRegion结构的定义在include/exec/memory.h中，如下：

#define TYPE_MEMORY_REGION "memory-region"
DECLARE_INSTANCE_CHECKER(MemoryRegion, MEMORY_REGION,TYPE_MEMORY_REGION)

在此不详细展开宏，而直接给出struct MemoryRegion定义，也在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;
};

MemoryRegion表示的是虚拟机中的一段内存区域（对比：AddressSpace结构用来表示一个虚拟机或者虚拟CPU能够访问的所有物理地址，其描述了一个到MemoryRegion对象的地址映射）。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。AddressSpace与MemoryRegion的关系如下图所示：

对于MemoryRegion各成员的详细讲解，请看下回。

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