中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（4）—— virtio所创建的设备1

接前一篇文章：中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（0）—— 面试感悟与问题记录

本文参考以下文章：

VirtIO实现原理——PCI基础

VirtIO实现原理——virtblk设备初始化

特此致谢！

本文对于中移（苏州）软件技术有限公司面试问题中的“（1）virtio会创建哪些设备？”进行解答与解析。

要弄清楚并回答这个问题，首先得从virtio这个“根”上讲起。

传统的设备模拟中，虚拟机内部设备驱动完全不知道自己处在虚拟化环境中。对于网络和存储等设备，I/O操作会完整地走完“虚拟机内核栈->QEMU->宿主机内核栈”这一过程，会产生很多的VM Exit和VM Entry，因此性能很差。

以e1000网卡为例，在传统的全模拟方案下，虚拟机操作系统内核中的网卡驱动还是跟具体的硬件设备相同。也就是说，QEMU模拟的是e1000的网卡，虚拟机操作系统还是通过传统的方式进行收发包。e1000以及其它模拟设备网卡的驱动在进行收发包的时候，会有很多次的写网卡寄存器或IO端口的操作，这会导致大量的VM Exit，使得网卡的性能比较差。

virtio方案则是旨在提高性能的一种优化方案。在该方案中，虚拟机能够感知到自己处于虚拟化环境，并且会加载相应的virtio总线驱动和virtio设备驱动。

半虚拟化的基本原理如下图所示：

主要包括两部分的内容：一个是VMM创建出模拟的设备，即后端设备；另一个是虚拟机操作系统内部安装好该模拟设备的驱动，即前端驱动。在半虚拟化环境下，设备和驱动都是新的、专门用来适应虚拟化环境的。虚拟机中的设备驱动（前端驱动）与QEMU中的虚拟网卡设备（后端设备）定义一套自己的协议来进行数据传输，通过自己约定的接口，可以很方便地进行通信。virtio即是这样一种利用半虚拟化技术提供I/O性能的框架。

到这儿，就可以初步知道题目的意思了，所谓“virtio会创建哪些设备”主要指的是virtio后端设备都有哪些。具体的设备接下来就会讲到，这里先别着急，且容我慢慢道来。

先来介绍一下virtio框架，如下图所示：

virtio是一种前后端架构，包括前端驱动（Front-End Driver）和后端设备（Back-End Device）、以及自身定义的传输协议。通过传输协议，virtio不仅可以用于QEMU/KVM方案，也可以用于其它的虚拟化方案。如虚拟机可以不必是QEMU，也可以是其它类型的虚拟机。后端不一定要在QEMU中实现，也可以在内核中实现（这实际上就是vhost方案）。接下来对这三个组件做简单介绍。

• 前端驱动（Front-End Driver）

前端驱动为虚拟机内部的virtio模拟设备对应的驱动，每一种前端设备都需要有对应的驱动才能正常运行。前端驱动的主要作用是接收用户态的请求；然后按照传输协议将这些请求进行封装；之后再写I/O端口；发送一个通知到QEMU的后端设备。

• 后端设备（Back-End Device）

后端设备则是在Host（QEMU）中，用来接收前端驱动发过来的I/O请求；然后从接受的数据中，按照传输协议的格式进行解析。对于网卡等需要实际物理设备交互的请求，后端驱动会对物理设备进行操作，从而完成请求；并且会通过中断机制通知前端驱动。

• virtio队列

virtio前端和后端驱动的数据传输通过virtio队列（virtio queue，virtqueue）完成。一个设备会注册若干个virtio队列，每个队列负责处理不同的数据传输，有的是控制层面的队列，有的是数据层面的队列。virtqueue是通过vring实现的。vring是虚拟机和QEMU之间共享的一段环形缓冲区。当虚拟机需要发送请求到QEMU的时候，就准备好数据，将数据描述放到vring中，写一个I/O端口；然后QEMU就能够从vring中读取数据信息，进而从内存中读出数据。QEMU完成请求之后，也将数据结构存放在vring中，前端驱动也就可以从vring中得到数据了。vring的基本原理如下图所示：

vring包含三个部分：

• 第一部分是描述符表（Descriptor Table），用来描述I/O请求的传输数据信息，包括地址、长度等信息；
• 第二部分是可用的vring（Available Vring），这是前端驱动设置的表示后端设备可用的描述符表中的索引；
• 第三部分是已经使用的vring（Used Vring），这是后端设备在使用完描述符表后设置的索引，这样前端驱动可以知道哪些描述符已经被用了。

至此，对于问题“virtio会创建哪些设备？”就有了初步答案。这个问题会转换为virtio后端设备都有哪些？根据上图可知，分为两大类设备：virtio PCI控制设备和virtio设备。具体来说，就是virtio-pci设备和具体的virtio设备，包括：

1af4:1041  network device (modern)
1af4:1042  block device (modern)
1af4:1043  console device (modern)
1af4:1044  entropy generator device (modern)
1af4:1045  balloon device (modern)
1af4:1048  SCSI host bus adapter device (modern)
1af4:1049  9p filesystem device (modern)
1af4:1050  virtio gpu device (modern)
1af4:1052  virtio input device (modern)

legacy:
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_NET         0x1000
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_BLOCK       0x1001
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_BALLOON     0x1002
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_CONSOLE     0x1003
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_SCSI        0x1004
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_RNG         0x1005
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_9P          0x1009
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_VSOCK       0x1012
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_PMEM        0x1013
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_IOMMU       0x1014
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_MEM         0x1015

下一回开始对于细节进行讲解，在初步回答此面试问题的基础上，深入回答此问题。