深度探索Linux系统虚拟化：原理与实现

内容简介

这是一部深度讲解如何在Linux操作系统环境下用软件虚拟出一台“物理”计算机的著作。

两位作者都是百度的技术专家，一位是百度的主任架构师，一位是百度智能云的副总经理，都在操作系统和虚拟化等领域有多年的实践经验。本书从计算机体系结构、操作系统、硬件等多个方面深度探索了如何从CPU、内存、中断、外设、网络5个维度去虚拟化Linux系统，不仅剖析了其中的关键技术原理，而且深入阐述了具体的实现。

全书共6章：

第1章：CPU虚拟化

介绍了X86架构下的VMX扩展，讨论了在VMX下虚拟CPU的完整生命周期，着重阐述了Host和Guest的切换、指令的模拟以及KVM是如何虚拟多处理器的。

第2章：内存虚拟化

讨论了操作系统如何为虚拟机呈现物理内存，结合影子页表以及EPT探讨了KVM如何完成从GVA到HPA的2层地址映射。

第3章：中断虚拟化

首先，讨论了从单核系统的8259A开始，到多核系统的APIC，再到绕开I/O  APIC直接从设备向LAPIC发送基于消息的MSI的虚拟化原理和实现。然后，讨论了Intel为了提高效率，是如何从硬件层面对虚拟化中断进行支持的，以及KVM是如何使用它们的。

第4~5章  外设虚拟化

从完全虚拟化开始，依次讲解了半虚拟化（Virtio）和Intel的VT-d支持下的硬件辅助虚拟化。通过实现一个模拟串口带领读者直观体会了设备虚拟化的基本原理，然后深入阐述了Virito标准和实现，以及支持SR-IOV的DMA重映射和中断重映射。

第6章  网络虚拟化

讨论了在通用硬件网络的基础上，操作系统如何虚拟出专用的网络设备，为租户组建虚拟网络。

前　言

第1章　CPU虚拟化  1

1.1　x86架构CPU虚拟化  1

1.1.1　陷入和模拟模型  2

1.1.2　x86架构虚拟化的障碍  2

1.1.3　VMX  3

1.1.4　VCPU生命周期  5

1.2　虚拟机切入和退出  8

1.2.1　GCC内联汇编  8

1.2.2　虚拟机切入和退出及相关的上下文保存  10

1.3　陷入和模拟  15

1.3.1　访问外设  15

1.3.2　特殊指令  22

1.3.3　访问具有副作用的寄存器  27

1.4　对称多处理器虚拟化  28

1.4.1　MP  Table  28

1.4.2　处理器启动过程  33

1.5　一个简单KVM用户空间实例  41

1.5.1　创建虚拟机实例  43

1.5.2　创建内存  43

1.5.3　创建处理器  44

1.5.4　Guest  46

1.5.5　加载Guest镜像到内存  47

1.5.6　运行虚拟机  47

第2章　内存虚拟化  49

2.1　内存寻址  49

2.1.1　段式寻址  50

2.1.2　平坦内存模型  50

2.1.3　页式寻址  54

2.1.4　页式寻址实例  55

2.2　VMM为Guest准备物理内存  61

2.2.1　内核是如何获取内存的  62

2.2.2　建立内存段信息  64

2.2.3　准备中断0x15的处理函数以及设置IVT  65

2.2.4　中断0x15的处理函数实现  68

2.2.5　虚拟内存条  69

2.3　实模式Guest的寻址  72

2.3.1　设置CPU运行于Virtual-8086模式  74

2.3.2　设置Guest模式下的cr3寄存器  75

2.3.3　虚拟MMU的上下文  75

2.3.4　缺页异常处理  77

2.4　保护模式Guest的寻址  81

2.4.1　偷梁换柱cr3  83

2.4.2　影子页表缺页异常处理  86

2.5　EPT  92

2.5.1　设置EPT页表  93

2.5.2　EPT异常处理  95

2.5.3　EPT支持下的地址翻译过程  97

第3章　中断虚拟化  99

3.1　虚拟中断  99

3.2　PIC虚拟化  102

3.2.1　可编程中断控制器8259A  103

3.2.2　虚拟设备向PIC发送中断请求  106

3.2.3　记录中断到IRR  107

3.2.4　设置待处理中断标识  108

3.2.5　中断评估  110

3.2.6　中断ACK  112

3.2.7　关于EOI的处理  113

3.2.8　中断注入  114

3.3　APIC虚拟化  116

3.3.1　外设中断过程  118

3.3.2　核间中断过程  123

3.3.3　IRQ  routing  125

3.4　MSI（X）虚拟化  128

3.4.1　MSI（X）Capability数据结构  129

3.4.2　建立IRQ  routing表项  131

3.4.3　MSI设备中断过程  132

3.5　硬件虚拟化支持  134

3.5.1　虚拟中断寄存器页面（virtual-APIC  page）  134

3.5.2　Guest模式下的中断评估逻辑  136

3.5.3　posted-interrupt  processing  139

第4章　设备虚拟化  142

4.1　设备虚拟化模型演进  142

4.2　PCI配置空间及其模拟  144

4.3　设备透传  152

4.3.1　虚拟配置空间  153

4.3.2　DMA重映射  157

4.3.3　中断重映射  160

4.4　完全虚拟化  166

4.4.1　Guest发送数据  167

4.4.2　Guest接收数据  173

第5章　Virtio虚拟化  182

5.1　I/O栈  182

5.1.1　文件系统  182

5.1.2　通用块层  190

5.1.3　块设备驱动  194

5.1.4　page  cache  196

5.1.5　bio  201

5.1.6　I/O调度器  202

5.2　Virtio协议  204

5.2.1　描述符表  205

5.2.2　可用描述符区域  207

5.2.3　已用描述符区域  208

5.2.4　Virtio设备的PCI配置空间  209

5.3　初始化Virtqueue  210

5.4　驱动根据I/O请求组织描述符链  216

5.5　驱动通知设备处理请求  221

5.6　设备处理I/O请求  222

5.7　驱动侧回收I/O请求  226

5.8　设备异步处理I/O  229

5.9　轻量虚拟机退出  231

5.9.1　创建eventfd  232

5.9.2　kvmtool监听eventfd  235

5.9.3　VM  exit处理函数唤醒I/O任务  236

第6章　网络虚拟化  239

6.1　基于Overlay的虚拟网络方案  239

6.1.1　计算节点  240

6.1.2　网络节点  247

6.1.3　Open  vSwitch  251

6.2　虚拟机访问外部主机  255

6.2.1　数据包在计算节点Linux网桥中的处理  256

6.2.2　数据包在计算节点的Open  vSwitch中的处理  257

6.2.3　数据包在网络节点的Open  vSwitch中的处理  265

6.3　外部主机访问虚拟机  272

6.3.1　数据包在网关中的处理过程  273

6.3.2　数据包在网络节点的Open  vSwitch中的处理  274

6.3.3　数据包在计算节点的Open  vSwitch中的处理  279

6.3.4　数据包在Linux网桥中的处理  283

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