54 | 存储虚拟化（下）：如何建立自己保管的单独档案库？

上一节，我们讲了 qemu 启动过程中的存储虚拟化。好了，现在 qemu 启动了，硬盘设备文件已经打开了。那如果我们要往虚拟机的一个进程写入一个文件，该怎么做呢？最终这个文件又是如何落到宿主机上的硬盘文件的呢？这一节，我们一起来看一看。

前端设备驱动 virtio_blk

虚拟机里面的进程写入一个文件，当然要通过文件系统。整个过程和咱们在文件系统那一节讲的过程没有区别。只是到了设备驱动层，我们看到的就不是普通的硬盘驱动了，而是 virtio 的驱动。

virtio 的驱动程序代码在 Linux 操作系统的源代码里面，文件名叫 drivers/block/virtio_blk.c。

static int __init init(void)
{
	int error;
	virtblk_wq = alloc_workqueue("virtio-blk", 0, 0);
	major = register_blkdev(0, "virtblk");
	error = register_virtio_driver(&virtio_blk);
......
}
 
module_init(init);
module_exit(fini);
 
MODULE_DEVICE_TABLE(virtio, id_table);
MODULE_DESCRIPTION("Virtio block driver");
MODULE_LICENSE("GPL");
 
static struct virtio_driver virtio_blk = {
......
	.driver.name			= KBUILD_MODNAME,
	.driver.owner			= THIS_MODULE,
	.id_table			= id_table,
	.probe				= virtblk_probe,
	.remove				= virtblk_remove,
......
};
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前面我们介绍过设备驱动程序，从这里的代码中，我们能看到非常熟悉的结构。它会创建一个 workqueue，注册一个块设备，并获得一个主设备号，然后注册一个驱动函数 virtio_blk。

当一个设备驱动作为一个内核模块被初始化的时候，probe 函数会被调用，因而我们来看一下 virtblk_probe。

static int virtblk_probe(struct virtio_device *vdev)
{
	struct virtio_blk *vblk;
	struct request_queue *q;
......
	vdev->priv = vblk = kmalloc(sizeof(*vblk), GFP_KERNEL);
	vblk->vdev = vdev;
	vblk->sg_elems = sg_elems;
	INIT_WORK(&vblk->config_work, virtblk_config_changed_work);
......
	err = init_vq(vblk);
......
	vblk->disk = alloc_disk(1 << PART_BITS);
	memset(&vblk->tag_set, 0, sizeof(vblk->tag_set));
	vblk->tag_set.ops = &virtio_mq_ops;
	vblk->tag_set.queue_depth = virtblk_queue_depth;
	vblk->tag_set.numa_node = NUMA_NO_NODE;
	vblk->tag_set.flags = BLK_MQ_F_SHOULD_MERGE;
	vblk->tag_set.cmd_size =
		sizeof(struct virtblk_req) +
		sizeof(struct scatterlist) * sg_elems;
	vblk->tag_set.driver_data = vblk;
	vblk->tag_set.nr_hw_queues = vblk->num_vqs;
	err = blk_mq_alloc_tag_set(&vblk->tag_set);
......
	q = blk_mq_init_queue(&vblk->tag_set);
	vblk->disk->queue = q;
	q->queuedata = vblk;
	virtblk_name_format("vd", index, vblk->disk->disk_name, DISK_NAME_LEN);
	vblk->disk->major = major;
	vblk->disk->first_minor = index_to_minor(index);
	vblk->disk->private_data = vblk;
	vblk->disk->fops = &virtblk_fops;
	vblk->disk->flags |= GENHD_FL_EXT_DEVT;
	vblk->index = index;
......
	device_add_disk(&vdev->dev, vblk->disk);
	err = device_create_file(disk_to_dev(vblk->disk), &dev_attr_serial);
......
}
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在 virtblk_probe 中，我们首先看到的是 struct request_queue，这是每一个块设备都有的一个队列。还记得吗？它有两个函数，一个是 make_request_fn 函数，用于生成 request；另一个是 request_fn 函数，用于处理 request。

这个 request_queue 的初始化过程在 blk_mq_init_queue 中。它会调用 blk_mq_init_allocated_queue->blk_queue_make_request。在这里面，我们可以将 make_request_fn 函数设置为 blk_mq_make_request，也就是说，一旦上层有写入请求，我们就通过 blk_mq_make_request 这个函数，将请求放入 request_queue 队列中。

另外，在 virtblk_probe 中，我们会初始化一个 gendisk。前面我们也讲了，每一个块设备都有这样一个结构。

在 virtblk_probe 中，还有一件重要的事情就是，init_vq 会来初始化 virtqueue。

static int init_vq(struct virtio_blk *vblk)
{
	int err;
	int i;
	vq_callback_t **callbacks;
	const char **names;
	struct virtqueue **vqs;
	unsigned short num_vqs;
	struct virtio_device *vdev = vblk->vdev;
......
	vblk->vqs = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*vblk->vqs), GFP_KERNEL);
	names = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*names), GFP_KERNEL);
	callbacks = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*callbacks), GFP_KERNEL);
	vqs = kmalloc_array(num_vqs, sizeof(*vqs), GFP_KERNEL);
......
	for (i = 0; i < num_vqs; i++) {
		callbacks[i] = virtblk_done;
		names[i] = vblk->vqs[i].name;
	}
 
	/* Discover virtqueues and write information to configuration.  */
	err = virtio_find_vqs(vdev, num_vqs, vqs, callbacks, names, &desc);
 
	for (i = 0; i < num_vqs; i++) {
		vblk->vqs[i].vq = vqs[i];
	}
	vblk->num_vqs = num_vqs;
......
}
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按照上面的原理来说，virtqueue 是一个介于客户机前端和 qemu 后端的一个结构，用于在这两端之间传递数据。这里建立的 struct virtqueue 是客户机前端对于队列的管理的数据结构，在客户机的 linux 内核中通过 kmalloc_array 进行分配。

而队列的实体需要通过函数 virtio_find_vqs 查找或者生成，所以这里我们还把 callback 函数指定为 virtblk_done。当 buffer 使用发生变化的时候，我们需要调用这个 callback 函数进行通知。

static inline
int virtio_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
			struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
			const char * const names[],
			struct irq_affinity *desc)
{
	return vdev->config->find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, NULL, desc);
}
 
static const struct virtio_config_ops virtio_pci_config_ops = {
	.get		= vp_get,
	.set		= vp_set,
	.generation	= vp_generation,
	.get_status	= vp_get_status,
	.set_status	= vp_set_status,
	.reset		= vp_reset,
	.find_vqs	= vp_modern_find_vqs,
	.del_vqs	= vp_del_vqs,
	.get_features	= vp_get_features,
	.finalize_features = vp_finalize_features,
	.bus_name	= vp_bus_name,
	.set_vq_affinity = vp_set_vq_affinity,
	.get_vq_affinity = vp_get_vq_affinity,
};
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根据 virtio_config_ops 的定义，virtio_find_vqs 会调用 vp_modern_find_vqs。

static int vp_modern_find_vqs(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
			      struct virtqueue *vqs[],
			      vq_callback_t *callbacks[],
			      const char * const names[], const bool *ctx,
			      struct irq_affinity *desc)
{
	struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
	struct virtqueue *vq;
	int rc = vp_find_vqs(vdev, nvqs, vqs, callbacks, names, ctx, desc);
	/* Select and activate all queues. Has to be done last: once we do
	 * this, there's no way to go back except reset.
	 */
	list_for_each_entry(vq, &vdev->vqs, list) {
		vp_iowrite16(vq->index, &vp_dev->common->queue_select);
		vp_iowrite16(1, &vp_dev->common->queue_enable);
	}
 
	return 0;
}
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在 vp_modern_find_vqs 中，vp_find_vqs 会调用 vp_find_vqs_intx。

static int vp_find_vqs_intx(struct virtio_device *vdev, unsigned nvqs,
		struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
		const char * const names[], const bool *ctx)
{
	struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
	int i, err;
 
	vp_dev->vqs = kcalloc(nvqs, sizeof(*vp_dev->vqs), GFP_KERNEL);
	err = request_irq(vp_dev->pci_dev->irq, vp_interrupt, IRQF_SHARED,
			dev_name(&vdev->dev), vp_dev);
	vp_dev->intx_enabled = 1;
	vp_dev->per_vq_vectors = false;
	for (i = 0; i < nvqs; ++i) {
		vqs[i] = vp_setup_vq(vdev, i, callbacks[i], names[i],
				     ctx ? ctx[i] : false,
				     VIRTIO_MSI_NO_VECTOR);
......
	}
}
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在 vp_find_vqs_intx 中，我们通过 request_irq 注册一个中断处理函数 vp_interrupt，当设备的配置信息发生改变，会产生一个中断，当设备向队列中写入信息时，也会会产生一个中断，我们称为 vq 中断，中断处理函数需要调用相应的队列的回调函数。

然后，我们根据队列的数目，依次调用 vp_setup_vq，完成 virtqueue、vring 的分配和初始化。

static struct virtqueue *vp_setup_vq(struct virtio_device *vdev, unsigned index,
				     void (*callback)(struct virtqueue *vq),
				     const char *name,
				     bool ctx,
				     u16 msix_vec)
{
	struct virtio_pci_device *vp_dev = to_vp_device(vdev);
	struct virtio_pci_vq_info *info = kmalloc(sizeof *info, GFP_KERNEL);
	struct virtqueue *vq;
	unsigned long flags;
......
	vq = vp_dev->setup_vq(vp_dev, info, index, callback, name, ctx,
			      msix_vec);
	info->vq = vq;
	if (callback) {
		spin_lock_irqsave(&vp_dev->lock, flags);
		list_add(&info->node, &vp_dev->virtqueues);
		spin_unlock_irqrestore(&vp_dev->lock, flags);
	} else {
		INIT_LIST_HEAD(&info->node);
	}
	vp_dev->vqs[index] = info;
	return vq;
}
 
static struct virtqueue *setup_vq(struct virtio_pci_device *vp_dev,
				  struct virtio_pci_vq_info *info,
				  unsigned index,
				  void (*callback)(struct virtqueue *vq),
				  const char *name,
				  bool ctx,
				  u16 msix_vec)
{
	struct virtio_pci_common_cfg __iomem *cfg = vp_dev->common;
	struct virtqueue *vq;
	u16 num, off;
	int err;
 
	/* Select the queue we're interested in */
	vp_iowrite16(index, &cfg->queue_select);
 
	/* Check if queue is either not available or already active. */
	num = vp_ioread16(&cfg->queue_size);
 
	/* get offset of notification word for this vq */
	off = vp_ioread16(&cfg->queue_notify_off);
 
	info->msix_vector = msix_vec;
 
	/* create the vring */
	vq = vring_create_virtqueue(index, num,
				    SMP_CACHE_BYTES, &vp_dev->vdev,
				    true, true, ctx,
				    vp_notify, callback, name);
	/* activate the queue */
	vp_iowrite16(virtqueue_get_vring_size(vq), &cfg->queue_size);
	vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_desc_addr(vq),
			     &cfg->queue_desc_lo, &cfg->queue_desc_hi);
	vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_avail_addr(vq),
			     &cfg->queue_avail_lo, &cfg->queue_avail_hi);
	vp_iowrite64_twopart(virtqueue_get_used_addr(vq),
			     &cfg->queue_used_lo, &cfg->queue_used_hi);
......
	return vq;
}
 
struct virtqueue *vring_create_virtqueue(
	unsigned int index,
	unsigned int num,
	unsigned int vring_align,
	struct virtio_device *vdev,
	bool weak_barriers,
	bool may_reduce_num,
	bool context,
	bool (*notify)(struct virtqueue *),
	void (*callback)(struct virtqueue *),
	const char *name)
{
	struct virtqueue *vq;
	void *queue = NULL;
	dma_addr_t dma_addr;
	size_t queue_size_in_bytes;
	struct vring vring;
 
	/* TODO: allocate each queue chunk individually */
	for (; num && vring_size(num, vring_align) > PAGE_SIZE; num /= 2) {
		queue = vring_alloc_queue(vdev, vring_size(num, vring_align),
					  &dma_addr,
					  GFP_KERNEL|__GFP_NOWARN|__GFP_ZERO);
		if (queue)
			break;
	}
 
	if (!queue) {
		/* Try to get a single page. You are my only hope! */
		queue = vring_alloc_queue(vdev, vring_size(num, vring_align),
					  &dma_addr, GFP_KERNEL|__GFP_ZERO);
	}
 
	queue_size_in_bytes = vring_size(num, vring_align);
	vring_init(&vring, num, queue, vring_align);
 
	vq = __vring_new_virtqueue(index, vring, vdev, weak_barriers, context, notify, callback, name);
 
	to_vvq(vq)->queue_dma_addr = dma_addr;
	to_vvq(vq)->queue_size_in_bytes = queue_size_in_bytes;
	to_vvq(vq)->we_own_ring = true;
 
	return vq;
}
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在 vring_create_virtqueue 中，我们会调用 vring_alloc_queue，来创建队列所需要的内存空间，然后调用 vring_init 初始化结构 struct vring，来管理队列的内存空间，调用 __vring_new_virtqueue，来创建 struct vring_virtqueue。

这个结构的一开始，是 struct virtqueue，它也是 struct virtqueue 的一个扩展，紧接着后面就是 struct vring。

struct vring_virtqueue {
	struct virtqueue vq;
 
	/* Actual memory layout for this queue */
	struct vring vring;
......
}
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至此我们发现，虚拟机里面的 virtio 的前端是这样的结构：struct virtio_device 里面有一个 struct vring_virtqueue，在 struct vring_virtqueue 里面有一个 struct vring。

中间 virtio 队列的管理

还记不记得我们上面讲 qemu 初始化的时候，virtio 的后端有数据结构 VirtIODevice，VirtQueue 和 vring 一模一样，前端和后端对应起来，都应该指向刚才创建的那一段内存。

现在的问题是，我们刚才分配的内存在客户机的内核里面，如何告知 qemu 来访问这段内存呢？

别忘了，qemu 模拟出来的 virtio block device 只是一个 PCI 设备。对于客户机来讲，这是一个外部设备，我们可以通过给外部设备发送指令的方式告知外部设备，这就是代码中 vp_iowrite16 的作用。它会调用专门给外部设备发送指令的函数 iowrite，告诉外部的 PCI 设备。

告知的有三个地址 virtqueue_get_desc_addr、virtqueue_get_avail_addr，virtqueue_get_used_addr。从客户机角度来看，这里面的地址都是物理地址，也即 GPA（Guest Physical Address）。因为只有物理地址才是客户机和 qemu 程序都认可的地址，本来客户机的物理内存也是 qemu 模拟出来的。

在 qemu 中，对 PCI 总线添加一个设备的时候，我们会调用 virtio_pci_device_plugged。

static void virtio_pci_device_plugged(DeviceState *d, Error **errp)
{
    VirtIOPCIProxy *proxy = VIRTIO_PCI(d);
......
    memory_region_init_io(&proxy->bar, OBJECT(proxy),
                              &virtio_pci_config_ops,
                              proxy, "virtio-pci", size);
......
}
 
static const MemoryRegionOps virtio_pci_config_ops = {
    .read = virtio_pci_config_read,
    .write = virtio_pci_config_write,
    .impl = {
        .min_access_size = 1,
        .max_access_size = 4,
    },
    .endianness = DEVICE_LITTLE_ENDIAN,
};
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在这里面，对于这个加载的设备进行 I/O 操作，会映射到读写某一块内存空间，对应的操作为 virtio_pci_config_ops，也即写入这块内存空间，这就相当于对于这个 PCI 设备进行某种配置。

对 PCI 设备进行配置的时候，会有这样的调用链：virtio_pci_config_write->virtio_ioport_write->virtio_queue_set_addr。设置 virtio 的 queue 的地址是一项很重要的操作。

void virtio_queue_set_addr(VirtIODevice *vdev, int n, hwaddr addr)
{
    vdev->vq[n].vring.desc = addr;
    virtio_queue_update_rings(vdev, n);
}
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从这里我们可以看出，qemu 后端的 VirtIODevice 的 VirtQueue 的 vring 的地址，被设置成了刚才给队列分配的内存的 GPA。

接着，我们来看一下这个队列的格式。

/* Virtio ring descriptors: 16 bytes.  These can chain together via "next". */
struct vring_desc {
	/* Address (guest-physical). */
	__virtio64 addr;
	/* Length. */
	__virtio32 len;
	/* The flags as indicated above. */
	__virtio16 flags;
	/* We chain unused descriptors via this, too */
	__virtio16 next;
};
 
struct vring_avail {
	__virtio16 flags;
	__virtio16 idx;
	__virtio16 ring[];
};
 
/* u32 is used here for ids for padding reasons. */
struct vring_used_elem {
	/* Index of start of used descriptor chain. */
	__virtio32 id;
	/* Total length of the descriptor chain which was used (written to) */
	__virtio32 len;
};
 
struct vring_used {
	__virtio16 flags;
	__virtio16 idx;
	struct vring_used_elem ring[];
};
 
struct vring {
	unsigned int num;
 
	struct vring_desc *desc;
 
	struct vring_avail *avail;
 
	struct vring_used *used;
};
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vring 包含三个成员：

• vring_desc 指向分配的内存块，用于存放客户机和 qemu 之间传输的数据。
• avail->ring[] 是发送端维护的环形队列，指向需要接收端处理的 vring_desc。
• used->ring[] 是接收端维护的环形队列，指向自己已经处理过了的 vring_desc。

数据写入的流程

接下来，我们来看，真的写入一个数据的时候，会发生什么。

按照上面 virtio 驱动初始化的时候的逻辑，blk_mq_make_request 会被调用。这个函数比较复杂，会分成多个分支，但是最终都会调用到 request_queue 的 virtio_mq_ops 的 queue_rq 函数。

struct request_queue *q = rq->q;
q->mq_ops->queue_rq(hctx, &bd);
 
static const struct blk_mq_ops virtio_mq_ops = {
	.queue_rq	= virtio_queue_rq,
	.complete	= virtblk_request_done,
	.init_request	= virtblk_init_request,
	.map_queues	= virtblk_map_queues,
};
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根据 virtio_mq_ops 的定义，我们现在要调用 virtio_queue_rq。

static blk_status_t virtio_queue_rq(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
			   const struct blk_mq_queue_data *bd)
{
	struct virtio_blk *vblk = hctx->queue->queuedata;
	struct request *req = bd->rq;
	struct virtblk_req *vbr = blk_mq_rq_to_pdu(req);
......
	err = virtblk_add_req(vblk->vqs[qid].vq, vbr, vbr->sg, num);
......
	if (notify)
		virtqueue_notify(vblk->vqs[qid].vq);
	return BLK_STS_OK;
}
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在 virtio_queue_rq 中，我们会将请求写入的数据，通过 virtblk_add_req 放入 struct virtqueue。

因此，接下来的调用链为：virtblk_add_req->virtqueue_add_sgs->virtqueue_add。

static inline int virtqueue_add(struct virtqueue *_vq,
				struct scatterlist *sgs[],
				unsigned int total_sg,
				unsigned int out_sgs,
				unsigned int in_sgs,
				void *data,
				void *ctx,
				gfp_t gfp)
{
	struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
	struct scatterlist *sg;
	struct vring_desc *desc;
	unsigned int i, n, avail, descs_used, uninitialized_var(prev), err_idx;
	int head;
	bool indirect;
......
	head = vq->free_head;
 
	indirect = false;
	desc = vq->vring.desc;
	i = head;
	descs_used = total_sg;
 
	for (n = 0; n < out_sgs; n++) {
		for (sg = sgs[n]; sg; sg = sg_next(sg)) {
			dma_addr_t addr = vring_map_one_sg(vq, sg, DMA_TO_DEVICE);
......
			desc[i].flags = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, VRING_DESC_F_NEXT);
			desc[i].addr = cpu_to_virtio64(_vq->vdev, addr);
			desc[i].len = cpu_to_virtio32(_vq->vdev, sg->length);
			prev = i;
			i = virtio16_to_cpu(_vq->vdev, desc[i].next);
		}
	}
 
	/* Last one doesn't continue. */
	desc[prev].flags &= cpu_to_virtio16(_vq->vdev, ~VRING_DESC_F_NEXT);
 
	/* We're using some buffers from the free list. */
	vq->vq.num_free -= descs_used;
 
	/* Update free pointer */
	vq->free_head = i;
 
	/* Store token and indirect buffer state. */
	vq->desc_state[head].data = data;
 
	/* Put entry in available array (but don't update avail->idx until they do sync). */
	avail = vq->avail_idx_shadow & (vq->vring.num - 1);
	vq->vring.avail->ring[avail] = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, head);
 
	/* Descriptors and available array need to be set before we expose the new available array entries. */
	virtio_wmb(vq->weak_barriers);
	vq->avail_idx_shadow++;
	vq->vring.avail->idx = cpu_to_virtio16(_vq->vdev, vq->avail_idx_shadow);
	vq->num_added++;
......
	return 0;
}
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在 virtqueue_add 函数中，我们能看到，free_head 指向的整个内存块空闲链表的起始位置，用 head 变量记住这个起始位置。

接下来，i 也指向这个起始位置，然后是一个 for 循环，将数据放到内存块里面，放的过程中，next 不断指向下一个空闲位置，这样空闲的内存块被不断的占用。等所有的写入都结束了，i 就会指向这次存放的内存块的下一个空闲位置，然后 free_head 就指向 i，因为前面的都填满了。

至此，从 head 到 i 之间的内存块，就是这次写入的全部数据。

于是，在 vring 的 avail 变量中，在 ring[] 数组中分配新的一项，在 avail 的位置，avail 的计算是 avail_idx_shadow & (vq->vring.num - 1)，其中，avail_idx_shadow 是上一次的 avail 的位置。这里如果超过了 ring[] 数组的下标，则重新跳到起始位置，就说明是一个环。这次分配的新的 avail 的位置就存放新写入的从 head 到 i 之间的内存块。然后是 avail_idx_shadow++，这说明这一块内存可以被接收方读取了。

接下来，我们回到 virtio_queue_rq，调用 virtqueue_notify 通知接收方。而 virtqueue_notify 会调用 vp_notify。

bool vp_notify(struct virtqueue *vq)
{
	/* we write the queue's selector into the notification register to
	 * signal the other end */
	iowrite16(vq->index, (void __iomem *)vq->priv);
	return true;
}
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然后，我们写入一个 I/O 会触发 VM exit。我们在解析 CPU 的时候看到过这个逻辑。

int kvm_cpu_exec(CPUState *cpu)
{
    struct kvm_run *run = cpu->kvm_run;
    int ret, run_ret;
......
    run_ret = kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN, 0);
......
    switch (run->exit_reason) {
        case KVM_EXIT_IO:
            DPRINTF("handle_io\n");
            /* Called outside BQL */
            kvm_handle_io(run->io.port, attrs,
                          (uint8_t *)run + run->io.data_offset,
                          run->io.direction,
                          run->io.size,
                          run->io.count);
            ret = 0;
            break;
    }
......
}
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这次写入的也是一个 I/O 的内存空间，同样会触发 virtio_ioport_write，这次会调用 virtio_queue_notify。

void virtio_queue_notify(VirtIODevice *vdev, int n)
{
    VirtQueue *vq = &vdev->vq[n];
......
    if (vq->handle_aio_output) {
        event_notifier_set(&vq->host_notifier);
    } else if (vq->handle_output) {
        vq->handle_output(vdev, vq);
    }
}
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virtio_queue_notify 会调用 VirtQueue 的 handle_output 函数，前面我们已经设置过这个函数了，是 virtio_blk_handle_output。

接下来的调用链为：virtio_blk_handle_output->virtio_blk_handle_output_do->virtio_blk_handle_vq。

bool virtio_blk_handle_vq(VirtIOBlock *s, VirtQueue *vq)
{
    VirtIOBlockReq *req;
    MultiReqBuffer mrb = {};
    bool progress = false;
......
    do {
        virtio_queue_set_notification(vq, 0);
 
        while ((req = virtio_blk_get_request(s, vq))) {
            progress = true;
            if (virtio_blk_handle_request(req, &mrb)) {
                virtqueue_detach_element(req->vq, &req->elem, 0);
                virtio_blk_free_request(req);
                break;
            }
        }
 
        virtio_queue_set_notification(vq, 1);
    } while (!virtio_queue_empty(vq));
 
    if (mrb.num_reqs) {
        virtio_blk_submit_multireq(s->blk, &mrb);
    }
......
    return progress;
}
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在 virtio_blk_handle_vq 中，有一个 while 循环，在循环中调用函数 virtio_blk_get_request 从 vq 中取出请求，然后调用 virtio_blk_handle_request 处理从 vq 中取出的请求。

我们先来看 virtio_blk_get_request。

static VirtIOBlockReq *virtio_blk_get_request(VirtIOBlock *s, VirtQueue *vq)
{
    VirtIOBlockReq *req = virtqueue_pop(vq, sizeof(VirtIOBlockReq));
 
    if (req) {
        virtio_blk_init_request(s, vq, req);
    }
    return req;
}
 
void *virtqueue_pop(VirtQueue *vq, size_t sz)
{
    unsigned int i, head, max;
    VRingMemoryRegionCaches *caches;
    MemoryRegionCache *desc_cache;
    int64_t len;
    VirtIODevice *vdev = vq->vdev;
    VirtQueueElement *elem = NULL;
    unsigned out_num, in_num, elem_entries;
    hwaddr addr[VIRTQUEUE_MAX_SIZE];
    struct iovec iov[VIRTQUEUE_MAX_SIZE];
    VRingDesc desc;
    int rc;
......
    /* When we start there are none of either input nor output. */
    out_num = in_num = elem_entries = 0;
 
    max = vq->vring.num;
 
    i = head;
 
    caches = vring_get_region_caches(vq);
    desc_cache = &caches->desc;
    vring_desc_read(vdev, &desc, desc_cache, i);
......
    /* Collect all the descriptors */
    do {
        bool map_ok;
 
        if (desc.flags & VRING_DESC_F_WRITE) {
            map_ok = virtqueue_map_desc(vdev, &in_num, addr + out_num,
                                        iov + out_num,
                                        VIRTQUEUE_MAX_SIZE - out_num, true,
                                        desc.addr, desc.len);
        } else {
            map_ok = virtqueue_map_desc(vdev, &out_num, addr, iov,
                                        VIRTQUEUE_MAX_SIZE, false,
                                        desc.addr, desc.len);
        }
......
        rc = virtqueue_read_next_desc(vdev, &desc, desc_cache, max, &i);
    } while (rc == VIRTQUEUE_READ_DESC_MORE);
......
    /* Now copy what we have collected and mapped */
    elem = virtqueue_alloc_element(sz, out_num, in_num);
    elem->index = head;
    for (i = 0; i < out_num; i++) {
        elem->out_addr[i] = addr[i];
        elem->out_sg[i] = iov[i];
    }
    for (i = 0; i < in_num; i++) {
        elem->in_addr[i] = addr[out_num + i];
        elem->in_sg[i] = iov[out_num + i];
    }
 
    vq->inuse++;
......
    return elem;
}
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我们可以看到，virtio_blk_get_request 会调用 virtqueue_pop。在这里面，我们能看到对于 vring 的操作，也即从这里面将客户机里面写入的数据读取出来，放到 VirtIOBlockReq 结构中。

接下来，我们就要调用 virtio_blk_handle_request 处理这些数据。所以接下来的调用链为：virtio_blk_handle_request->virtio_blk_submit_multireq->submit_requests。

static inline void submit_requests(BlockBackend *blk, MultiReqBuffer *mrb,int start, int num_reqs, int niov)
{
    QEMUIOVector *qiov = &mrb->reqs[start]->qiov;
    int64_t sector_num = mrb->reqs[start]->sector_num;
    bool is_write = mrb->is_write;
 
    if (num_reqs > 1) {
        int i;
        struct iovec *tmp_iov = qiov->iov;
        int tmp_niov = qiov->niov;
        qemu_iovec_init(qiov, niov);
 
        for (i = 0; i < tmp_niov; i++) {
            qemu_iovec_add(qiov, tmp_iov[i].iov_base, tmp_iov[i].iov_len);
        }
 
        for (i = start + 1; i < start + num_reqs; i++) {
            qemu_iovec_concat(qiov, &mrb->reqs[i]->qiov, 0,
                              mrb->reqs[i]->qiov.size);
            mrb->reqs[i - 1]->mr_next = mrb->reqs[i];
        }
 
        block_acct_merge_done(blk_get_stats(blk),
                              is_write ? BLOCK_ACCT_WRITE : BLOCK_ACCT_READ,
                              num_reqs - 1);
    }
 
    if (is_write) {
        blk_aio_pwritev(blk, sector_num << BDRV_SECTOR_BITS, qiov, 0,
                        virtio_blk_rw_complete, mrb->reqs[start]);
    } else {
        blk_aio_preadv(blk, sector_num << BDRV_SECTOR_BITS, qiov, 0,
                       virtio_blk_rw_complete, mrb->reqs[start]);
    }
}
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在 submit_requests 中，我们看到了 BlockBackend。这是在 qemu 启动的时候，打开 qcow2 文件的时候生成的，现在我们可以用它来写入文件了，调用的是 blk_aio_pwritev。

BlockAIOCB *blk_aio_pwritev(BlockBackend *blk, int64_t offset,
                            QEMUIOVector *qiov, BdrvRequestFlags flags,
                            BlockCompletionFunc *cb, void *opaque)
{
    return blk_aio_prwv(blk, offset, qiov->size, qiov,
                        blk_aio_write_entry, flags, cb, opaque);
}
 
static BlockAIOCB *blk_aio_prwv(BlockBackend *blk, int64_t offset, int bytes,
                                void *iobuf, CoroutineEntry co_entry,
                                BdrvRequestFlags flags,
                                BlockCompletionFunc *cb, void *opaque)
{
    BlkAioEmAIOCB *acb;
    Coroutine *co;
    acb = blk_aio_get(&blk_aio_em_aiocb_info, blk, cb, opaque);
    acb->rwco = (BlkRwCo) {
        .blk    = blk,
        .offset = offset,
        .iobuf  = iobuf,
        .flags  = flags,
        .ret    = NOT_DONE,
    };
    acb->bytes = bytes;
    acb->has_returned = false;
 
    co = qemu_coroutine_create(co_entry, acb);
    bdrv_coroutine_enter(blk_bs(blk), co);
 
    acb->has_returned = true;
    return &acb->common;
}
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在 blk_aio_pwritev 中，我们看到，又是创建了一个协程来进行写入。写入完毕之后调用 virtio_blk_rw_complete->virtio_blk_req_complete。

static void virtio_blk_req_complete(VirtIOBlockReq *req, unsigned char status)
{
    VirtIOBlock *s = req->dev;
    VirtIODevice *vdev = VIRTIO_DEVICE(s);
 
    trace_virtio_blk_req_complete(vdev, req, status);
 
    stb_p(&req->in->status, status);
    virtqueue_push(req->vq, &req->elem, req->in_len);
    virtio_notify(vdev, req->vq);
}
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在 virtio_blk_req_complete 中，我们先是调用 virtqueue_push，更新 vring 中 used 变量，表示这部分已经写入完毕，空间可以回收利用了。但是，这部分的改变仅仅改变了 qemu 后端的 vring，我们还需要通知客户机中 virtio 前端的 vring 的值，因而要调用 virtio_notify。virtio_notify 会调用 virtio_irq 发送一个中断。

还记得咱们前面注册过一个中断处理函数 vp_interrupt 吗？它就是干这个事情的。

static irqreturn_t vp_interrupt(int irq, void *opaque)
{
	struct virtio_pci_device *vp_dev = opaque;
	u8 isr;
 
	/* reading the ISR has the effect of also clearing it so it's very
	 * important to save off the value. */
	isr = ioread8(vp_dev->isr);
 
	/* Configuration change?  Tell driver if it wants to know. */
	if (isr & VIRTIO_PCI_ISR_CONFIG)
		vp_config_changed(irq, opaque);
 
	return vp_vring_interrupt(irq, opaque);
}
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就像前面说的一样 vp_interrupt 这个中断处理函数，一是处理配置变化，二是处理 I/O 结束。第二种的调用链为：vp_interrupt->vp_vring_interrupt->vring_interrupt。

irqreturn_t vring_interrupt(int irq, void *_vq)
{
	struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
......
	if (vq->vq.callback)
		vq->vq.callback(&vq->vq);
 
	return IRQ_HANDLED;
}
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在 vring_interrupt 中，我们会调用 callback 函数，这个也是在前面注册过的，是 virtblk_done。

接下来的调用链为：virtblk_done->virtqueue_get_buf->virtqueue_get_buf_ctx。

void *virtqueue_get_buf_ctx(struct virtqueue *_vq, unsigned int *len,
			    void **ctx)
{
	struct vring_virtqueue *vq = to_vvq(_vq);
	void *ret;
	unsigned int i;
	u16 last_used;
......
	last_used = (vq->last_used_idx & (vq->vring.num - 1));
	i = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].id);
	*len = virtio32_to_cpu(_vq->vdev, vq->vring.used->ring[last_used].len);
......
	/* detach_buf clears data, so grab it now. */
	ret = vq->desc_state[i].data;
	detach_buf(vq, i, ctx);
	vq->last_used_idx++;
......
	return ret;
}
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在 virtqueue_get_buf_ctx 中，我们可以看到，virtio 前端的 vring 中的 last_used_idx 加一，说明这块数据 qemu 后端已经消费完毕。我们可以通过 detach_buf 将其放入空闲队列中，留给以后的写入请求使用。

至此，整个存储虚拟化的写入流程才全部完成。

总结时刻

下面我们来总结一下存储虚拟化的场景下，整个写入的过程。

• 在虚拟机里面，应用层调用 write 系统调用写入文件。
• write 系统调用进入虚拟机里面的内核，经过 VFS，通用块设备层，I/O 调度层，到达块设备驱动。
• 虚拟机里面的块设备驱动是 virtio_blk，它和通用的块设备驱动一样，有一个 request queue，另外有一个函数 make_request_fn 会被设置为 blk_mq_make_request，这个函数用于将请求放入队列。
• 虚拟机里面的块设备驱动是 virtio_blk 会注册一个中断处理函数 vp_interrupt。当 qemu 写入完成之后，它会通知虚拟机里面的块设备驱动。
• blk_mq_make_request 最终调用 virtqueue_add，将请求添加到传输队列 virtqueue 中，然后调用 virtqueue_notify 通知 qemu。
• 在 qemu 中，本来虚拟机正处于 KVM_RUN 的状态，也即处于客户机状态。
• qemu 收到通知后，通过 VM exit 指令退出客户机状态，进入宿主机状态，根据退出原因，得知有 I/O 需要处理。
• qemu 调用 virtio_blk_handle_output，最终调用 virtio_blk_handle_vq。
• virtio_blk_handle_vq 里面有一个循环，在循环中，virtio_blk_get_request 函数从传输队列中拿出请求，然后调用 virtio_blk_handle_request 处理请求。
• virtio_blk_handle_request 会调用 blk_aio_pwritev，通过 BlockBackend 驱动写入 qcow2 文件。
• 写入完毕之后，virtio_blk_req_complete 会调用 virtio_notify 通知虚拟机里面的驱动。数据写入完成，刚才注册的中断处理函数 vp_interrupt 会收到这个通知。

课堂练习

请你沿着代码，仔细分析并牢记 virtqueue 的结构以及写入和读取方式。这个结构在下面的网络传输过程中，还要起大作用。

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