Linux 中断虚拟化之一

作者： 王柏生 谢广军 2021-11-30 07:02:10

云计算

虚拟化 中断是计算机系统中非常重要的部分，计算机基础理论书籍往往也会花上很多篇幅讨论中断，但是因为操作系统都替开发人员处理好中断了，所以除非是系统工程师，否则一般开发人员对中断很难有一个很直观的认识，因此理解如何通过软件的方式来模拟中断更是一个挑战。

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中断是计算机系统中非常重要的部分，计算机基础理论书籍往往也会花上很多篇幅讨论中断，但是因为操作系统都替开发人员处理好中断了，所以除非是系统工程师，否则一般开发人员对中断很难有一个很直观的认识，因此理解如何通过软件的方式来模拟中断更是一个挑战。

因此，在本章中，我们简单介绍硬件中断的基本原理，然后结合中断的基本原理讨论如何虚拟化中断芯片。我们从起初IBM PC为单核系统设计的PIC(8259A)机制开始，讨论到为多核系统设计的APIC，一直到绕开I/O APIC、从设备直接向LAPIC发送基于消息的MSI机制。

中断芯片可以在用户空间中模拟，也可以在内核空间模拟，但是因为中断芯片需要密集地和Guest以及内核中的KVM模块交互，显然在内核空间模拟更合理，所以KVM在内核中实现中断芯片的模拟。最后，我们讨论了为了提高效率，Intel是如何从硬件层面对虚拟化中断进行支持的，以及KVM是如何使用他们的。

虚拟中断

在探讨Guest模式的CPU处理中断前，我们首先回顾一下物理CPU是如何响应中断的。当操作系统允许CPU响应中断后，每当执行完一条指令后，CPU都将检查中断引脚是否有效，一旦有效，CPU将处理中断，然后再执行下一条指令，如图3-1所示。

图1 CPU处理中断

当有中断需要CPU处理时，中断芯片将有效连接CPU的INTR引脚，也就是说如果INTR是高电平有效，那么中断芯片拉高INTR引脚的电平。CPU在执行完一条指令后，将检查INTR引脚。类似的，虚拟中断也效仿这种机制，虚拟中断芯片负责将与CPU的INTR引脚相连的“引脚”有效，然后在每次VM entry时，KVM将检查虚拟中端芯片的INTR“引脚”是否有效。对于软件虚拟的中断芯片而言，“引脚”只是一个变量。如果KVM发现虚拟中断芯片有中断请求，则向VMCS中VM-entry control部分的VM-entry interruption-informationfield字段注入中断信息，然后Guest模式下的CPU将执行Guest系统IDT中对应的中断处理服务，图3-2为单核系统使用PIC中断芯片下的虚拟中断过程。

图2 基于PIC的虚拟中断过程

具体步骤如下：

1)虚拟设备向虚拟中断芯片PIC发送中断请求，虚拟PIC记录下虚拟设备的中断信息。与物理的中断过程不同，此时并不会触发虚拟PIC芯片的中断评估逻辑，而是在VM entry时进行。

2)如果虚拟CPU处于睡眠状态，则唤醒虚拟CPU，即使虚拟CPU对应的线程进入物理CPU的就绪任务队列，随时可以准备得到运行机会。

3)当虚拟CPU开始运行时，在其切入Guest前一刻，KVM模块将检查虚拟PIC芯片，查看是否有中断需要处理。此时，KVM将触发虚拟PIC芯片的中断评估逻辑。

4)一旦虚拟中断芯片计算出有需要Guest处理的中断，则将中断信息注入到VMCS中的字段VM-entry interruption-information。

5)进入Guest模式后，CPU将调用Guest IDT中相应的中断服务处理中断。

PIC只能支持单处理器系统，对于多处理器系统，需要APIC支持。对于虚拟化而言，显然也需要虚拟相应的APIC，但是其本质上与PIC基本相同，如图3-3所示。

图3 基于APIC的虚拟中断过程

与单处理器情况相比，多处理器的虚拟中断主要有2点不同：

1)在多处理器系统下，不同CPU之间需要收发中断，因此，每个CPU分别需要关联一个独立的中断芯片，这个中断芯片称为LAPIC。LAPIC不仅需要接收CPU之间核间中断IPI(Inter-Processor Interrupt)，还需要接收来自外设的中断。外设的中断引脚不可能连接到每个LAPIC上，因此，有一个统一的I/O APIC芯片负责连接外设，如果一个I/O APIC引脚不够用，系统中可以使用多个I/O APIC。LAPIC和I/O APIC都接到中断总线上，通过总线进行通信。所以在虚拟化场景下，需要虚拟LAPIC和I/O APIC两个组件。

2)在多处理器情况下，仅仅是唤醒可能在睡眠的虚拟CPU线程还不够，如果虚拟CPU是在另外一颗物理CPU上运行于Guest模式，此时还需要向其发送IPI中断，使目的CPU从Guest模式退出到Host模式，然后下一次VM entry时，进行中断注入。

Guest模式的CPU和虚拟中断芯片处于两个世界，所以处于Guest模式的CPU不能检查虚拟中断芯片的引脚，只能在VM entry时由KVM模块代为检查，然后写入到VMCS。所以，一旦有中断需要注入，那么处于Guest模式的CPU一定需要VM exit，退出到Host模式，这是一个很大的开销。

为了去除VM exit这个开销，Intel在硬件层面对中断虚拟化进行了支持。LAPIC使用一个页面大小内存存储寄存器，我们知道，当Guest访问LAPIC这些寄存器时，将导致VM exit，但是事实上，某些访问LAPIC的这些寄存器，并不需要VMM介入，所以也就无需VM exit，所以Intel实现了一个处于Guest模式的这样的一个页面，称之为virtual-APIC page。除次之外，Intel还在Guest模式下实现了部分中断芯片的逻辑，比如中断评估，我们将其称之为虚拟中断逻辑，如图4所示。

图4 硬件虚拟化支持下的中断虚拟化过程

Intel从硬件层面对虚拟化进行了支持，实现了一个处于Guest模式的用于存储中断相关寄存器的virtual-APIC page。除次之外，Intel还在Guest模式下实现了部分中断芯片的逻辑，用于中断评估和递交。

在此情况下，只要LAPIC收到中断，其不必再等待下一次VM entry时，被动执行中断评估，而是主动向处于Guest模式的CPU告知信息，这个位置就是posted-interrupt descriptor。如果目标CPU处于Guest模式，则通过一个特殊的核间中断posted-interrupt notification通知目标CPU，从而触发虚拟的中断逻辑，其会在Guest模式下进行评估评估并且向虚拟CPU递交中断，而无须再通过VM exit/VM entry的方式注入中断。

在硬件虚拟化的支持下，在Guest模式下有了状态和逻辑，就可以模拟很多中断的行为，比如访问中断寄存器、跟踪中断的状态以及向CPU递交中断等。因此，很多中断行为就无须VMM介入了，从而大大的减少了VM exit的次数。当然有些写中断寄存器的操作是具有副作用的，比如通过写icr寄存器发送IPI中断，这时就需要触发VM exit，由本地LAPIC向目标LAPIC发送IPI中断。

王柏生 资深技术专家，先后就职于中科院软件所、红旗Linux和百度，现任百度主任架构师。在操作系统、虚拟化技术、分布式系统、云计算、自动驾驶等相关领域耕耘多年，有着丰富的实践经验。著有畅销书《深度探索Linux操作系统》(2013年出版)。

谢广军 计算机专业博士，毕业于南开大学计算机系。资深技术专家，多年的IT行业工作经验。现担任百度智能云副总经理，负责云计算相关产品的研发。多年来一直从事操作系统、虚拟化技术、分布式系统、大数据、云计算等相关领域的研发工作，实践经验丰富。

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