ubuntu12.04环境下使用kvm ioctl接口实现最简单的虚拟机

IT/互联网 / 系统运维 养生小编 来源:互联网 136浏览 0评论

英文原文:https://lwn.net/Articles/658511/。本文在翻译的基础上加了一些自己的理解。


qemu、virtual box、vmware、xen都是虚拟机,一般用户接触到的virtual box和vmware比较多,都是用来ubuntu中跑windows,或者windows中跑ubuntu的。

qemu其实是鼎鼎大名的最基础的开源模拟器,可以纯软件模拟x86、arm、mips,这一点完虐其它模拟器;也可以使用硬件加速,比如linux下kvm和windows以及mac下的haxm。这些硬件加速又是基于initel VT-x, intel VT-d,以及amd对应的技术,这些技术提供了vCPU,以及硬件的影子页表(intel EPT),大大减轻了qemu软件模拟的工作量。

virtual box,qemu-kvm都使用到了qemu,但是仅仅用到了它的设备模拟功能。qemu对于gpu的模拟比较渣,所以基于qemu的android emulator自己实现了opengles 的qemu pipe,使用host电脑上的opengl进行绘图。

xen在云计算中用的比较多,在这里不做详细介绍。其它模拟器基本都是运行在普通操作系统之上的一个进程,每一个核是其中的一个线程。


本文介绍kvm的使用,在intel平台下ubuntu12.04中实现一个最简单的模拟器,计算2+2的结果并通过io端口输出。


内核中kvm api的介绍可以看:documentation/virtual/kvm/api.txt,其它的一些文档:documentation/virtual/kvm/。完整的源码:https://lwn.net/Articles/658512/。


使用kvm的真正的虚拟机,模拟了很多虚拟的设备和固件,还有复杂的初始化状态(各个设备的初始化,CPU寄存器的初始化等),以及内存的初始化。本文所述的模拟器demo,将使用如下16bit的x86的代码(为什么是16bit呢,因为x86一上电是实模式,工作于16bit;之后再切换到32bit的保护模式的):

    mov $0x3f8, %dx    add %bl, %al    add $'0', %al    out %al, (%dx)    mov $'n', %al    out %al, (%dx)    hlt

这段代码充当了guest os,基本上算是一个裸奔的系统了。它实现了2+2,然后再加上‘0‘,把4转为ascii的‘4‘,并通过端口0x3f8输出。然后再输出了‘n‘,就关机了。


我们把这段代码对应的二进制存到数组里面:

    const uint8_t code[] = {0xba, 0xf8, 0x03, 0x00, 0xd8,       0x04, '0',        0xee,             0xb0, 'n',       0xee,             0xf4,                 };
怎么得到这些机器码呢?
[email protected]:~$ cat simple_os.asm    mov $0x3f8, %dx    add %bl, %al    add $'0', %al    out %al, (%dx)    mov $'n', %al    out %al, (%dx)    hlt[email protected]:~$ as -o simple_os.o simple_os.asm[email protected]:~$ objdump -d  simple_os.osimple_os.o:     file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <.text>:   0:66 ba f8 03          mov    $0x3f8,%dx   4:00 d8                add    %bl,%al   6:04 30                add    $0x30,%al   8:ee                   out    %al,(%dx)   9:b0 0a                mov    $0xa,%al   b:ee                   out    %al,(%dx)   c:f4                   hlt
可以在这个网页上查看汇编指令,以及对应的机器码:http://x86.renejeschke.de/
注意开头多了一个0x66,解释如下:

技术分享

http://wiki.osdev.org/X86-64_Instruction_Encoding里面的Prefix group 3


所以我们需要在simple_os.asm文件的开头添加.code16,这样的话就对了,但是objdump显示的又不对了,需要这样使用才行:

[email protected]:~$ objdump -d -Mintel,i8086 simple_os.osimple_os.o:     file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <.text>:   0:ba f8 03             mov    dx,0x3f8   3:00 d8                add    al,bl   5:04 30                add    al,0x30   7:ee                   out    dx,al   8:b0 0a                mov    al,0xa   a:ee                   out    dx,al   b:f4                   hlt

https://sourceware.org/binutils/docs/as/i386_002d16bit.html

http://stackoverflow.com/questions/1737095/how-do-i-disassemble-raw-x86-code


我们会把这段代码,放到虚拟物理内存,也就是GPA(guest physical address)的第二个页面中(to avoid conflicting with a non-existent real-mode interrupt descriptor table at address 0),防止和实模式的中断向量表冲突。al和bl初始化为2,cs初始化为0,ip指向第二个页面的起始位置0x1000。

除此之外,我们还有一个虚拟的串口设备,端口是0x3f8,8bit,用于输出字符。


为了实现一个虚拟机,我们首先需要打开/dev/kvm:

kvm = open("/dev/kvm", O_RDWR | O_CLOEXEC);

在使用kvm之前,需要使用KVM_GET_API_VERSION ioctl()去检查下kvm的版本是否正确,看看是否为api12,是才可以继续运行:
    ret = ioctl(kvm, KVM_GET_API_VERSION, NULL);    if (ret == -1)err(1, "KVM_GET_API_VERSION");    if (ret != 12)errx(1, "KVM_GET_API_VERSION %d, expected 12", ret);


检查完api版本后,可以使用KVM_CHECK_EXTENSION ioctl()去检查其它extensions是否可用,比如KVM_SET_USER_MEMORY_REGION,用来检查kvm是否支持硬件影子页表(http://royluo.org/2016/03/13/kvm-mmu-virtualization/):

    ret = ioctl(kvm, KVM_CHECK_EXTENSION, KVM_CAP_USER_MEMORY);    if (ret == -1)err(1, "KVM_CHECK_EXTENSION");    if (!ret)errx(1, "Required extension KVM_CAP_USER_MEM not available");


然后再创建一个虚拟机vm,这个vm和内存,设备,所有的vCPU相关,在host系统中对应一个进程:
vmfd = ioctl(kvm, KVM_CREATE_VM, (unsigned long)0);


虚拟机需要一些虚拟物理内存,用来存放guest os。当guest os进行内存访问时,如果缺页,kvm会根据KVM_SET_USER_MEMORY_REGION的设置,去尝试解决缺页的问题,如果kvm无法解决,就会退出,退出原因是KVM_EXIT_MMIO,然后由qemu或者其它东西去进行设备的模拟(《android qemu-kvm内存管理和IO映射》)。

我们先在host中申请一页内存,然后把guest os裸奔的代码拷贝过去:

mem = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);memcpy(mem, code, sizeof(code));

然后我们需要把host 虚拟空间的内存和guest os虚拟物理内存的映射关系使用KVM_SET_USER_MEMORY_REGION ioctl()告知kvm:
    struct kvm_userspace_memory_region region = {.slot = 0,.guest_phys_addr = 0x1000,.memory_size = 0x1000,.userspace_addr = (uint64_t)mem,    };    ioctl(vmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &region);

这样,当guest os访问到虚拟物理内存的0x1000~0x2000之间的话,kvm会直接访问到mem所对应的真实的物理内存。


现在,我们有了一个虚拟机vm,有了一些虚拟物理内存,内存里面有guest os的代码,那么我们需要给虚拟机添加一个核(vCPU),对应一个线程。当然也可以多核(vCPUs,调用多次KVM_CREATE_VCPU):

vcpufd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, (unsigned long)0);

每一个vCPU都和一个kvm_run结构体相关,kvm_run用于内核态和用户态信息的同步,比如从用户态的虚拟机中获得内核态的kvm退出的原因,KVM_EXIT_MMIO, KVM_EXIT_IO之类的。先获得kvm_run结构体的大小,然后分配内存并和vCPU进行绑定:
mmap_size = ioctl(kvm, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, NULL);run = mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, vcpufd, 0);

vCPU中还有处理器寄存器的状态,分为两组,struct kvm_regs和struct kvm_sregs,我们需要设置其中的cs,al,bl,ip等寄存器:
    ioctl(vcpufd, KVM_GET_SREGS, &sregs);    sregs.cs.base = 0;    sregs.cs.selector = 0;    ioctl(vcpufd, KVM_SET_SREGS, &sregs);

    struct kvm_regs regs = {.rip = 0x1000,.rax = 2,.rbx = 2,.rflags = 0x2,    };    ioctl(vcpufd, KVM_SET_REGS, &regs);


好了,东西都准备好了,我们可以开始运行vCPU了:
    while (1) {ioctl(vcpufd, KVM_RUN, NULL);switch (run->exit_reason) {}    }


我们需要根据run->exit_reason来处理kvm的退出状态,比如guest 关机:
    case KVM_EXIT_HLT:    puts("KVM_EXIT_HLT");    return 0;


初始化失败:
    case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:    errx(1, "KVM_EXIT_FAIL_ENTRY: hardware_entry_failure_reason = 0x%llx", (unsigned long long)run->fail_entry.hardware_entry_failure_reason);     case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:    errx(1, "KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR: suberror = 0x%x",         run->internal.suberror);


以及需要进行设备的模拟器,在这里,只有一个端口为0x3f8的串口设备。模拟设备的效果就是把字符打印出来:
case KVM_EXIT_IO:    if (run->io.direction == KVM_EXIT_IO_OUT &&    run->io.size == 1 &&    run->io.port == 0x3f8 &&    run->io.count == 1)putchar(*(((char *)run) + run->io.data_offset));    elseerrx(1, "unhandled KVM_EXIT_IO");    break;


测试结果:

[email protected]:~/Desktop$ gcc -o kvmtest kvmtest.c[email protected]:~/Desktop$ ./kvmtest 4KVM_EXIT_HLT


qemu-kvm中,qemu的主要任务就是KVM_EXIT_IO, KVM_EXIT_MMIO之后的虚拟设备的模拟,以及KVM_RUN之前设置好相关的设备的东西并进行初始化。



ubuntu12.04环境下使用kvm ioctl接口实现最简单的虚拟机

原文:http://blog.csdn.net/ayu_ag/article/details/52799035