也谈Intel的cpu虚拟化

讲到intel的cpu虚拟化，就不得不提到vt-x。vt-x是intel的CPU硬件虚拟化技术，但是在操作系统内部查看cpu的flag时，是否支持硬件虚拟化的的判断标准是是否有vmx，vmx是什么，它和虚拟化有什么关系，本文将会涉及到。

几个基础概念

1.VMM：

虚拟机监视器在宿主机上表现为一个提供虚拟机CPU，内存以及一系列硬件虚拟的实体，这个实体在KVM体系中就是一个进程，如qemu-kvm。VMM负责管理虚拟机的资源，并拥有所有虚拟机资源的控制权，包括切换虚拟机的CPU上下文等。

2.Guest：

可能是一个操作系统（OS），也可能就是一个二进制程序。对于VMM来说，他就是一堆指令集，只需要知道入口（rip寄存器值）就可以加载。

Guest运行需要虚拟CPU，当Guest代码运行的时候，处于VMX non-root模式，此模式下，该用什么指令还是用什么指令，该用什么寄存器还用什么寄存器，该用cache还是用cache，但是在执行到特殊指令的时候（比如Demo中的out指令），把CPU控制权交给VMM，由VMM来处理特殊指令，完成硬件操作。

3.CPU运行级别：

CPU支持ring0~ring3 4个等级，但是Linux只使用了其中的两个ring0,ring3。当CPU寄存器标示了当前CPU处于ring0级别的时候，表示此时CPU正在运行的是内核的代码。而当CPU处于ring3级别的时候，表示此时CPU正在运行的是用户级别的代码。当发生系统调用或者进程切换的时候，CPU会从ring3级别转到ring0级别。ring3级别是不允许执行硬件操作的，所有硬件操作都需要内核提供的系统调用来完成。

4.VMX：

为了从CPU层面支持VT技术，Intel-V 在 ring0~ring3 的基础上， 扩展了传统的x86处理器架构，引入了VMX模式，VMX分为root和non-root。VMM运行在VMX root模式；Guest运行在VMX non-root模式。

CPU虚拟化

有了cpu的运行级别和VMX，就可以看一下CPU虚拟化的基本运行情况了。

Guest OS里的内核运行于VMX non-root下的ring0

Guest OS里的应用程序运行于VMX non-root模式下的ring3

Host OS的内核和VMM运行于VMX root模式下的ring0。

虽然GuestOS的内核也运行于ring0，但是由于是non-root模式，所以不能操作某些资源，不能运行敏感指令。

Guest也分ring0~ring3，不过他并不感知自己处于VMX non-root模式下。

VMM与Guest的切换

1. VM entry 和 VM exit

Guest与VMM之间的切换有两个过程：VM entry 和 VM exit。Guest运行时处于VMX下的non-root模式，当执行了特殊操作的时候（具体哪种操作后面的VM exit原因中会提到），通过VM exit将cpu控制权返回给VMM，从而陷入到root模式下的ring0内的VMM，进行“陷入模拟”。 VMM处理完特殊操作后再通过VM entry把结果和控制权返回给Guest。

2.导致VM exit的原因

导致VM exit的原因有多种，例如Guest执行了硬件IO访问操作，或者Guest调用了VMCALL指令，或者调用了退出指令，或者产生了一个page fault，或者访问了特殊设备的寄存器等。在内核中有关于VM exit原因的列表。

3.VMCS：（虚拟机控制结构）

这是虚拟机的户口本，对虚拟机至关重要。Guest Exit的时候，会将当前Guest的上下文保存到VMCS中，Guest entry的时候把VMCS上下文恢复给VMM。VMCS是一个64位的指针，指向一个真实的内存地址，VMCS是以vCPU为单位的，即Guest有多少个vCPU，就对应多少个VMCS指针。VMCS的操作包括VMREAD，VMWRITE，VMCLEAR。

当Guest发起执行的指令处于VMX模式（包括运行VMM的root和运行Guest代码的non-root）的时候，Guest不能判断当前CPU是否处于VMX模式还是非VMX模式。当产生VM exit的时候，CPU会将exit reason保存到MSRs（VMX模式的特殊寄存器组），对应到KVM就是vCPU->kvm_run->exit_reason。VMM再根据exit_reason做相应的处理。所以MSRs寄存器就成了Guest和VMX交接的中间人。

关于Intel的cpu虚拟化的详细说明可参考：