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中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中非常重要的部分，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論書籍往往也會(huì)花上很多篇幅討論中斷，但是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)都替開發(fā)人員處理好中斷了，所以除非是系統(tǒng)工程師，否則一般開發(fā)人員對(duì)中斷很難有一個(gè)很直觀的認(rèn)識(shí)，因此理解如何通過軟件的方式來模擬中斷更是一個(gè)挑戰(zhàn)。

因此，在本章中，我們簡單介紹硬件中斷的基本原理，然后結(jié)合中斷的基本原理討論如何虛擬化中斷芯片。我們從起初IBM PC為單核系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PIC(8259A)機(jī)制開始，討論到為多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)的APIC，一直到繞開I/O APIC、從設(shè)備直接向LAPIC發(fā)送基于消息的MSI機(jī)制。

中斷芯片可以在用戶空間中模擬，也可以在內(nèi)核空間模擬，但是因?yàn)橹袛嘈酒枰芗睾虶uest以及內(nèi)核中的KVM模塊交互，顯然在內(nèi)核空間模擬更合理，所以KVM在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)中斷芯片的模擬。最后，我們討論了為了提高效率，Intel是如何從硬件層面對(duì)虛擬化中斷進(jìn)行支持的，以及KVM是如何使用他們的。

虛擬中斷

在探討Guest模式的CPU處理中斷前，我們首先回顧一下物理CPU是如何響應(yīng)中斷的。當(dāng)操作系統(tǒng)允許CPU響應(yīng)中斷后，每當(dāng)執(zhí)行完一條指令后，CPU都將檢查中斷引腳是否有效，一旦有效，CPU將處理中斷，然后再執(zhí)行下一條指令，如圖3-1所示。

圖1 CPU處理中斷

當(dāng)有中斷需要CPU處理時(shí)，中斷芯片將有效連接CPU的INTR引腳，也就是說如果INTR是高電平有效，那么中斷芯片拉高INTR引腳的電平。CPU在執(zhí)行完一條指令后，將檢查INTR引腳。類似的，虛擬中斷也效仿這種機(jī)制，虛擬中斷芯片負(fù)責(zé)將與CPU的INTR引腳相連的“引腳”有效，然后在每次VM entry時(shí)，KVM將檢查虛擬中端芯片的INTR“引腳”是否有效。對(duì)于軟件虛擬的中斷芯片而言，“引腳”只是一個(gè)變量。如果KVM發(fā)現(xiàn)虛擬中斷芯片有中斷請(qǐng)求，則向VMCS中VM-entry control部分的VM-entry interruption-informationfield字段注入中斷信息，然后Guest模式下的CPU將執(zhí)行Guest系統(tǒng)IDT中對(duì)應(yīng)的中斷處理服務(wù)，圖3-2為單核系統(tǒng)使用PIC中斷芯片下的虛擬中斷過程。

圖2 基于PIC的虛擬中斷過程

具體步驟如下：

1)虛擬設(shè)備向虛擬中斷芯片PIC發(fā)送中斷請(qǐng)求，虛擬PIC記錄下虛擬設(shè)備的中斷信息。與物理的中斷過程不同，此時(shí)并不會(huì)觸發(fā)虛擬PIC芯片的中斷評(píng)估邏輯，而是在VM entry時(shí)進(jìn)行。

2)如果虛擬CPU處于睡眠狀態(tài)，則喚醒虛擬CPU，即使虛擬CPU對(duì)應(yīng)的線程進(jìn)入物理CPU的就緒任務(wù)隊(duì)列，隨時(shí)可以準(zhǔn)備得到運(yùn)行機(jī)會(huì)。

3)當(dāng)虛擬CPU開始運(yùn)行時(shí)，在其切入Guest前一刻，KVM模塊將檢查虛擬PIC芯片，查看是否有中斷需要處理。此時(shí)，KVM將觸發(fā)虛擬PIC芯片的中斷評(píng)估邏輯。

4)一旦虛擬中斷芯片計(jì)算出有需要Guest處理的中斷，則將中斷信息注入到VMCS中的字段VM-entry interruption-information。

5)進(jìn)入Guest模式后，CPU將調(diào)用Guest IDT中相應(yīng)的中斷服務(wù)處理中斷。

PIC只能支持單處理器系統(tǒng)，對(duì)于多處理器系統(tǒng)，需要APIC支持。對(duì)于虛擬化而言，顯然也需要虛擬相應(yīng)的APIC，但是其本質(zhì)上與PIC基本相同，如圖3-3所示。

圖3 基于APIC的虛擬中斷過程

與單處理器情況相比，多處理器的虛擬中斷主要有2點(diǎn)不同：

1)在多處理器系統(tǒng)下，不同CPU之間需要收發(fā)中斷，因此，每個(gè)CPU分別需要關(guān)聯(lián)一個(gè)獨(dú)立的中斷芯片，這個(gè)中斷芯片稱為LAPIC。LAPIC不僅需要接收CPU之間核間中斷IPI(Inter-Processor Interrupt)，還需要接收來自外設(shè)的中斷。外設(shè)的中斷引腳不可能連接到每個(gè)LAPIC上，因此，有一個(gè)統(tǒng)一的I/O APIC芯片負(fù)責(zé)連接外設(shè)，如果一個(gè)I/O APIC引腳不夠用，系統(tǒng)中可以使用多個(gè)I/O APIC。LAPIC和I/O APIC都接到中斷總線上，通過總線進(jìn)行通信。所以在虛擬化場景下，需要虛擬LAPIC和I/O APIC兩個(gè)組件。

2)在多處理器情況下，僅僅是喚醒可能在睡眠的虛擬CPU線程還不夠，如果虛擬CPU是在另外一顆物理CPU上運(yùn)行于Guest模式，此時(shí)還需要向其發(fā)送IPI中斷，使目的CPU從Guest模式退出到Host模式，然后下一次VM entry時(shí)，進(jìn)行中斷注入。

Guest模式的CPU和虛擬中斷芯片處于兩個(gè)世界，所以處于Guest模式的CPU不能檢查虛擬中斷芯片的引腳，只能在VM entry時(shí)由KVM模塊代為檢查，然后寫入到VMCS。所以，一旦有中斷需要注入，那么處于Guest模式的CPU一定需要VM exit，退出到Host模式，這是一個(gè)很大的開銷。

為了去除VM exit這個(gè)開銷，Intel在硬件層面對(duì)中斷虛擬化進(jìn)行了支持。LAPIC使用一個(gè)頁面大小內(nèi)存存儲(chǔ)寄存器，我們知道，當(dāng)Guest訪問LAPIC這些寄存器時(shí)，將導(dǎo)致VM exit，但是事實(shí)上，某些訪問LAPIC的這些寄存器，并不需要VMM介入，所以也就無需VM exit，所以Intel實(shí)現(xiàn)了一個(gè)處于Guest模式的這樣的一個(gè)頁面，稱之為virtual-APIC page。除次之外，Intel還在Guest模式下實(shí)現(xiàn)了部分中斷芯片的邏輯，比如中斷評(píng)估，我們將其稱之為虛擬中斷邏輯，如圖4所示。

圖4 硬件虛擬化支持下的中斷虛擬化過程

Intel從硬件層面對(duì)虛擬化進(jìn)行了支持，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)處于Guest模式的用于存儲(chǔ)中斷相關(guān)寄存器的virtual-APIC page。除次之外，Intel還在Guest模式下實(shí)現(xiàn)了部分中斷芯片的邏輯，用于中斷評(píng)估和遞交。

在此情況下，只要LAPIC收到中斷，其不必再等待下一次VM entry時(shí)，被動(dòng)執(zhí)行中斷評(píng)估，而是主動(dòng)向處于Guest模式的CPU告知信息，這個(gè)位置就是posted-interrupt descriptor。如果目標(biāo)CPU處于Guest模式，則通過一個(gè)特殊的核間中斷posted-interrupt notification通知目標(biāo)CPU，從而觸發(fā)虛擬的中斷邏輯，其會(huì)在Guest模式下進(jìn)行評(píng)估評(píng)估并且向虛擬CPU遞交中斷，而無須再通過VM exit/VM entry的方式注入中斷。

在硬件虛擬化的支持下，在Guest模式下有了狀態(tài)和邏輯，就可以模擬很多中斷的行為，比如訪問中斷寄存器、跟蹤中斷的狀態(tài)以及向CPU遞交中斷等。因此，很多中斷行為就無須VMM介入了，從而大大的減少了VM exit的次數(shù)。當(dāng)然有些寫中斷寄存器的操作是具有副作用的，比如通過寫icr寄存器發(fā)送IPI中斷，這時(shí)就需要觸發(fā)VM exit，由本地LAPIC向目標(biāo)LAPIC發(fā)送IPI中斷。

王柏生 資深技術(shù)專家，先后就職于中科院軟件所、紅旗Linux和百度，現(xiàn)任百度主任架構(gòu)師。在操作系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)、分布式系統(tǒng)、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛等相關(guān)領(lǐng)域耕耘多年，有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。著有暢銷書《深度探索Linux操作系統(tǒng)》(2013年出版)。

謝廣軍 計(jì)算機(jī)專業(yè)博士，畢業(yè)于南開大學(xué)計(jì)算機(jī)系。資深技術(shù)專家，多年的IT行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)擔(dān)任百度智能云副總經(jīng)理，負(fù)責(zé)云計(jì)算相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。多年來一直從事操作系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)、分布式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工作，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。

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