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ubuntu12.04環(huán)境下使用kvm ioctl接口實(shí)現(xiàn)最簡單的虛擬機(jī)
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qemu、virtual box、vmware、xen都是虛擬機(jī)，一般用戶接觸到的virtual box和vmware比較多，都是用來ubuntu中跑windows，或者windows中跑ubuntu的。

qemu其實(shí)是鼎鼎大名的最基礎(chǔ)的開源模擬器，可以純軟件模擬x86、arm、mips，這一點(diǎn)完虐其它模擬器；也可以使用硬件加速，比如linux下kvm和windows以及mac下的haxm。這些硬件加速又是基于initel VT-x, intel VT-d，以及amd對應(yīng)的技術(shù)，這些技術(shù)提供了vCPU，以及硬件的影子頁表(intel EPT)，大大減輕了qemu軟件模擬的工作量。

virtual box，qemu-kvm都使用到了qemu，但是僅僅用到了它的設(shè)備模擬功能。qemu對于gpu的模擬比較渣，所以基于qemu的Android emulator自己實(shí)現(xiàn)了opengles 的qemu pipe，使用host電腦上的opengl進(jìn)行繪圖。
xen在云計(jì)算中用的比較多，在這里不做詳細(xì)介紹。其它模擬器基本都是運(yùn)行在普通操作系統(tǒng)之上的一個進(jìn)程，每一個核是其中的一個線程。

本文介紹kvm的使用，在intel平臺下ubuntu12.04中實(shí)現(xiàn)一個最簡單的模擬器，計(jì)算2+2的結(jié)果并通過io端口輸出。

內(nèi)核中kvm api的介紹可以看：Documentation/virtual/kvm/api.txt，其它的一些文檔：Documentation/virtual/kvm/。完整的源碼：https://lwn.net/Articles/658512/。

使用kvm的真正的虛擬機(jī)，模擬了很多虛擬的設(shè)備和固件，還有復(fù)雜的初始化狀態(tài)(各個設(shè)備的初始化，CPU寄存器的初始化等)，以及內(nèi)存的初始化。本文所述的模擬器demo，將使用如下16bit的x86的代碼(為什么是16bit呢，因?yàn)閤86一上電是實(shí)模式，工作于16bit；之后再切換到32bit的保護(hù)模式的)：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. mov $0x3f8, %dx     
  2. add %bl, %al     
  3. add $'0', %al     
  4. out %al, (%dx)     
  5. mov $'\n', %al     
  6. out %al, (%dx)     
  7. hlt    

這段代碼充當(dāng)了guest os，基本上算是一個裸奔的系統(tǒng)了。它實(shí)現(xiàn)了2+2，然后再加上'0'，把4轉(zhuǎn)為ascii的'4'，并通過端口0x3f8輸出。然后再輸出了'\n'，就關(guān)機(jī)了。

我們把這段代碼對應(yīng)的二進(jìn)制存到數(shù)組里面：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼
  1.   const uint8_t code[] = {     
  2. 0xba, 0xf8, 0x03, /* mov $0x3f8, %dx */     
  3. 0x00, 0xd8,       /* add %bl, %al */     
  4. 0x04, '0',        /* add $'0', %al */     
  5. 0xee,             /* out %al, (%dx) */     
  6. 0xb0, '\n',       /* mov $'\n', %al */     
  7. 0xee,             /* out %al, (%dx) */     
  8. 0xf4,             /* hlt */     
  9.    };    

怎么得到這些機(jī)器碼呢？

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ cat simple_os.asm     
  2.     mov $0x3f8, %dx     
  3.     add %bl, %al     
  4.     add $'0', %al     
  5.     out %al, (%dx)     
  6.     mov $'\n', %al     
  7.     out %al, (%dx)     
  8.     hlt     
  9. shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ as -o simple_os.o simple_os.asm     
  10. shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ objdump -d  simple_os.o     
  11. simple_os.o:     file format elf64-x86-64     
  12. Disassembly of section .text:     
  13. 0000000000000000 .text>:     
  14.    0:   66 ba f8 03             mov    $0x3f8,%dx     
  15.    4:   00 d8                   add    %bl,%al     
  16.    6:   04 30                   add    $0x30,%al     
  17.    8:   ee                      out    %al,(%dx)     
  18.    9:   b0 0a                   mov    $0xa,%al     
  19.    b:   ee                      out    %al,(%dx)     
  20.    c:   f4                      hlt    

可以在這個網(wǎng)頁上查看匯編指令，以及對應(yīng)的機(jī)器碼：http://x86.renejeschke.de/
注意開頭多了一個0x66，解釋如下：

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

所以我們需要在simple_os.asm文件的開頭添加.code16，這樣的話就對了，但是objdump顯示的又不對了，需要這樣使用才行：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. shuyin.wsy@10-101-175-19:~$ objdump -d -Mintel,i8086 simple_os.o     
  2. simple_os.o:     file format elf64-x86-64     
  3. Disassembly of section .text:     
  4. 0000000000000000 .text>:     
  5.    0:   ba f8 03                mov    dx,0x3f8     
  6.    3:   00 d8                   add    al,bl     
  7.    5:   04 30                   add    al,0x30     
  8.    7:   ee                      out    dx,al     
  9.    8:   b0 0a                   mov    al,0xa     
  10.    a:   ee                      out    dx,al     
  11.    b:   f4                      hlt     
  12. https://sourceware.org/binutils/docs/as/i386_002d16bit.html   
  13. http://stackoverflow.com/questions/1737095/how-do-i-disassemble-raw-x86-code  

我們會把這段代碼，放到虛擬物理內(nèi)存，也就是GPA(guest physical address)的第二個頁面中(to avoid conflicting with a non-existent real-mode interrupt descriptor table at address 0)，防止和實(shí)模式的中斷向量表沖突。al和bl初始化為2，cs初始化為0，ip指向第二個頁面的起始位置0x1000。
除此之外，我們還有一個虛擬的串口設(shè)備，端口是0x3f8，8bit，用于輸出字符。

為了實(shí)現(xiàn)一個虛擬機(jī)，我們首先需要打開/dev/kvm：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. kvm = open("/dev/kvm", O_RDWR | O_CLOEXEC);    

在使用kvm之前，需要使用KVM_GET_API_VERSION ioctl()去檢查下kvm的版本是否正確，看看是否為api12，是才可以繼續(xù)運(yùn)行

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1.  ret = ioctl(kvm, KVM_GET_API_VERSION, NULL);     
  2.    if (ret == -1)     
  3. err(1, "KVM_GET_API_VERSION");     
  4.    if (ret != 12)     
  5. errx(1, "KVM_GET_API_VERSION %d, expected 12", ret);    

檢查完api版本后，可以使用KVM_CHECK_EXTENSION ioctl()去檢查其它extensions是否可用，比如KVM_SET_USER_MEMORY_REGION，用來檢查kvm是否支持硬件影子頁表(http://royluo.org/2016/03/13/kvm-mmu-virtualization/)：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1.  ret = ioctl(kvm, KVM_CHECK_EXTENSION, KVM_CAP_USER_MEMORY);     
  2.    if (ret == -1)     
  3. err(1, "KVM_CHECK_EXTENSION");     
  4.    if (!ret)     
  5. errx(1, "Required extension KVM_CAP_USER_MEM not available");   

然后再創(chuàng)建一個虛擬機(jī)vm，這個vm和內(nèi)存，設(shè)備，所有的vCPU相關(guān)，在host系統(tǒng)中對應(yīng)一個進(jìn)程：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. vmfd = ioctl(kvm, KVM_CREATE_VM, (unsigned long)0);    

虛擬機(jī)需要一些虛擬物理內(nèi)存，用來存放guest os。當(dāng)guest os進(jìn)行內(nèi)存訪問時，如果缺頁，kvm會根據(jù)KVM_SET_USER_MEMORY_REGION的設(shè)置，去嘗試解決缺頁的問題，如果kvm無法解決，就會退出，退出原因是KVM_EXIT_MMIO，然后由qemu或者其它東西去進(jìn)行設(shè)備的模擬(《android qemu-kvm內(nèi)存管理和IO映射》)。

我們先在host中申請一頁內(nèi)存，然后把guest os裸奔的代碼拷貝過去：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. mem = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);     
  2. memcpy(mem, code, sizeof(code));    

然后我們需要把host 虛擬空間的內(nèi)存和guest os虛擬物理內(nèi)存的映射關(guān)系使用KVM_SET_USER_MEMORY_REGION ioctl()告知kvm：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. struct kvm_userspace_memory_region region = {     
  2. .slot = 0,     
  3. .guest_phys_addr = 0x1000,     
  4. .memory_size = 0x1000,     
  5. .userspace_addr = (uint64_t)mem,     
  6.    };     
  7.    ioctl(vmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, ®ion);    

這樣，當(dāng)guest os訪問到虛擬物理內(nèi)存的0x1000~0x2000之間的話，kvm會直接訪問到mem所對應(yīng)的真實(shí)的物理內(nèi)存。

現(xiàn)在，我們有了一個虛擬機(jī)vm，有了一些虛擬物理內(nèi)存，內(nèi)存里面有g(shù)uest os的代碼，那么我們需要給虛擬機(jī)添加一個核(vCPU)，對應(yīng)一個線程。當(dāng)然也可以多核(vCPUs，調(diào)用多次KVM_CREATE_VCPU)：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. vcpufd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, (unsigned long)0);    

每一個vCPU都和一個kvm_run結(jié)構(gòu)體相關(guān)，kvm_run用于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)信息的同步，比如從用戶態(tài)的虛擬機(jī)中獲得內(nèi)核態(tài)的kvm退出的原因，KVM_EXIT_MMIO, KVM_EXIT_IO之類的。先獲得kvm_run結(jié)構(gòu)體的大小，然后分配內(nèi)存并和vCPU進(jìn)行綁定：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. mmap_size = ioctl(kvm, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, NULL);     
  2. run = mmap(NULL, mmap_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, vcpufd, 0);    

vCPU中還有處理器寄存器的狀態(tài)，分為兩組，struct kvm_regs和struct kvm_sregs，我們需要設(shè)置其中的cs，al，bl，ip等寄存器：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. ioctl(vcpufd, KVM_GET_SREGS, sregs);     
  2. sregs.cs.base = 0;     
  3. sregs.cs.selector = 0;     
  4. ioctl(vcpufd, KVM_SET_SREGS, sregs);     
  5.   
  6.    struct kvm_regs regs = {     
  7. .rip = 0x1000,     
  8. .rax = 2,     
  9. .rbx = 2,     
  10. .rflags = 0x2,     
  11.    };     
  12.    ioctl(vcpufd, KVM_SET_REGS, ®s);    


好了，東西都準(zhǔn)備好了，我們可以開始運(yùn)行vCPU了：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1.    while (1) {     
  2. ioctl(vcpufd, KVM_RUN, NULL);     
  3. switch (run->exit_reason) {     
  4. /* Handle exit */     
  5. }     
  6.    }    

我們需要根據(jù)run->exit_reason來處理kvm的退出狀態(tài)，比如guest 關(guān)機(jī)：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. case KVM_EXIT_HLT:     
  2.  puts("KVM_EXIT_HLT");     
  3.  return 0;    

初始化失?。?/p>

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1.  case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:     
  2.   errx(1, "KVM_EXIT_FAIL_ENTRY: hardware_entry_failure_reason = 0x%llx",     
  3. (unsigned long long)run->fail_entry.hardware_entry_failure_reason);      
  4.  case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:     
  5.   errx(1, "KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR: suberror = 0x%x",     
  6.        run->internal.suberror);    

以及需要進(jìn)行設(shè)備的模擬器，在這里，只有一個端口為0x3f8的串口設(shè)備。模擬設(shè)備的效果就是把字符打印出來：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. case KVM_EXIT_IO:     
  2.         if (run->io.direction == KVM_EXIT_IO_OUT      
  3.             run->io.size == 1      
  4.             run->io.port == 0x3f8      
  5.             run->io.count == 1)     
  6.         putchar(*(((char *)run) + run->io.data_offset));     
  7.         else     
  8.         errx(1, "unhandled KVM_EXIT_IO");     
  9.         break;    

測試結(jié)果：

Ruby Code復(fù)制內(nèi)容到剪貼板
  1. tree@tree-OptiPlex-7010:~/Desktop$ gcc -o kvmtest kvmtest.c     
  2. tree@tree-OptiPlex-7010:~/Desktop$ ./kvmtest      
  3. KVM_EXIT_HLT    

qemu-kvm中，qemu的主要任務(wù)就是KVM_EXIT_IO, KVM_EXIT_MMIO之后的虛擬設(shè)備的模擬，以及KVM_RUN之前設(shè)置好相關(guān)的設(shè)備的東西并進(jìn)行初始化。

以上所述是小編給大家介紹的ubuntu12.04環(huán)境下使用kvm ioctl接口實(shí)現(xiàn)最簡單的虛擬機(jī)，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對腳本之家網(wǎng)站的支持！

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