?virtio 簡介

virtio 是一種 I/O 半虛擬化解決方案，是一套通用 I/O 設備虛擬化的程序，是對半虛擬化 Hypervisor 中的一組通用 I/O 設備的抽象。提供了一套上層應用與各 Hypervisor 虛擬化設備（KVM，Xen，VMware等）之間的通信框架和編程接口，減少跨平臺所帶來的兼容性問題，大大提高驅動程序開發效率。

在完全虛擬化的解決方案中，guest VM 要使用底層 host 資源，需要 Hypervisor 來截獲所有的請求指令，然后模擬出這些指令的行為，這樣勢必會帶來很多性能上的開銷。半虛擬化通過底層硬件輔助的方式，將部分沒必要虛擬化的指令通過硬件來完成，Hypervisor 只負責完成部分指令的虛擬化，要做到這點，需要 guest 來配合，guest 完成不同設備的前端驅動程序，Hypervisor 配合 guest 完成相應的后端驅動程序，這樣兩者之間通過某種交互機制就可以實現高效的虛擬化過程。

由于不同 guest 前端設備其工作邏輯大同小異（如塊設備、網絡設備、PCI設備、balloon驅動等），單獨為每個設備定義一套接口實屬沒有必要，而且還要考慮擴平臺的兼容性問題，另外，不同后端 Hypervisor 的實現方式也大同小異（如KVM、Xen等），這個時候，就需要一套通用框架和標準接口（協議）來完成兩者之間的交互過程，virtio 就是這樣一套標準，它極大地解決了這些不通用的問題。

從總體上看，virtio 可以分為四層，包括前端 guest 中各種驅動程序模塊，后端 Hypervisor （實現在Qemu上）上的處理程序模塊，中間用于前后端通信的 virtio 層和 virtio-ring 層，virtio 這一層實現的是虛擬隊列接口，算是前后端通信的橋梁，而 virtio-ring 則是該橋梁的具體實現，它實現了兩個環形緩沖區，分別用于保存前端驅動程序和后端處理程序執行的信息。

嚴格來說，virtio 和 virtio-ring 可以看做是一層，virtio-ring 實現了 virtio 的具體通信機制和數據流程。或者這么理解可能更好，virtio 層屬于控制層，負責前后端之間的通知機制（kick，notify）和控制流程，而 virtio-vring 則負責具體數據流轉發。

vring 主要通過兩個環形緩沖區來完成數據流的轉發，如下圖所示。

vring 包含三個部分，描述符數組 desc，可用的 available ring 和使用過的 used ring。

desc 用于存儲一些關聯的描述符，每個描述符記錄一個對 buffer 的描述，available ring 則用于 guest 端表示當前有哪些描述符是可用的，而 used ring 則表示 host 端哪些描述符已經被使用。

Virtio 使用 virtqueue 來實現 I/O 機制，每個 virtqueue 就是一個承載大量數據的隊列，具體使用多少個隊列取決于需求，例如，virtio 網絡驅動程序（virtio-net）使用兩個隊列（一個用于接受，另一個用于發送），而 virtio 塊驅動程序（virtio-blk）僅使用一個隊列。

具體的，假設 guest 要向 host 發送數據，首先，guest 通過函數 virtqueue_add_buf 將存有數據的 buffer 添加到 virtqueue 中，然后調用 virtqueue_kick 函數，virtqueue_kick 調用 virtqueue_notify 函數，通過寫入寄存器的方式來通知到 host。host 調用 virtqueue_get_buf 來獲取 virtqueue 中收到的數據。

存放數據的 buffer 是一種分散-聚集的數組，由 desc 結構來承載，如下是一種常用的 desc 的結構：

當 guest 向 virtqueue 中寫數據時，實際上是向 desc 結構指向的 buffer 中填充數據，完了會更新 available ring，然后再通知 host。

當 host 收到接收數據的通知時，首先從 desc 指向的 buffer 中找到 available ring 中添加的 buffer，映射內存，同時更新 used ring，并通知 guest 接收數據完畢。

virtio 是 guest 與 host 之間通信的潤滑劑，提供了一套通用框架和標準接口或協議來完成兩者之間的交互過程，極大地解決了各種驅動程序和不同虛擬化解決方案之間的適配問題。

virtio 抽象了一套 vring 接口來完成 guest 和 host 之間的數據收發過程，結構新穎，接口清晰。

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