背景
- Read the fucking source code! --By 鲁迅
- A picture is worth a thousand words. --By 高尔基
说明：
- KVM版本：5.9.1
- QEMU版本：5.0.0
- 工具：Source Insight 3.5， Visio
- 文章同步在博客园：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/
1. 概述
汪汪汪，最近忙成狗了，一下子把我更新的节奏打乱了，草率的道个歉。
- 前边系列将Virtio Device和Virtio Driver都已经讲完，本文将分析virtqueue;
- virtqueue用于前后端之间的数据交换，一看到这种数据队列，首先想到的就是ring-buffer，实际的实现会是怎么样的呢?
2. 数据结构
先看一下核心的数据结构：
- 通常Virtio设备操作Virtqueue时，都是通过struct virtqueue结构体，这个可以理解成对外的一个接口，而Virtqueue机制的实现依赖于struct vring_virtqueue结构体;
- Virtqueue有三个核心的数据结构，由struct vring负责组织：
- struct vring_desc：描述符表，每一项描述符指向一片内存，内存类型可以分为out类型和in类型，分别代表输出和输入，而内存的管理都由驱动来负责。该结构体中的next字段，可用于将多个描述符构成一个描述符链，而flag字段用于描述属性，比如只读只写等;
- struct vring_avail：可用描述符区域，用于记录设备可用的描述符ID，它的主体是数组ring，实际就是一个环形缓冲区;
- struct vring_used：已用描述符区域，用于记录设备已经处理完的描述符ID，同样，它的ring数组也是环形缓冲区，与struct vring_avail不同的是，它还记录了设备写回的数据长度;
这么看，当然是有点不太直观，所以，下图来了：
- 简单来说，驱动会分配好内存(scatterlist)，并通过virtqueue_add添加到描述表中，这样描述符表中的条目就都能对应到具体的物理地址了，其实可以把它理解成一个资源池子;
- 驱动可以将可用的资源更新到struct vring_avail中，也就是将可用的描述符ID添加到ring数组中，熟悉环形缓冲区的同学应该清楚它的机制，通过维护头尾两个指针来进行管理，Driver负责更新头指针(idx)，Device负责更新尾指针(Qemu中的Device负责维护一个last_avail_idx)，头尾指针，你追我赶，生生不息;
- 当设备使用完了后，将已用的描述符ID更新到struct vring_used中，vring_virtqueue自身维护了last_used_idx，机制与struct vring_avail一致;
3. 流程分析
3.1 发送
当驱动需要把数据发送给设备时，流程如上图所示：
①A表示分配一个Buffer并添加到Virtqueue中，①B表示从Used队列中获取一个Buffer，这两种中选择一种方式;
②表示将Data拷贝到Buffer中，用于传送;
③表示更新Avail队列中的描述符索引值，注意，驱动中需要执行memory barrier操作，确保Device能看到正确的值;
④与⑤表示Driver通知Device来取数据;
⑥表示Device从Avail队列中获取到描述符索引值;
⑦表示将描述符索引对应的地址中的数据取出来;
⑧表示Device更新Used队列中的描述符索引;
⑨与⑩表示Device通知Driver数据已经取完了;
3.2 接收
当驱动从设备接收数据时，流程如上图所示：
①表示Device从Avail队列中获取可用描述符索引值;
②表示将数据拷贝至描述符索引对应的地址上;
③表示更新Used队列中的描述符索引值;
④与⑤表示Device通知Driver来取数据;
⑥表示Driver从Used队列中获取已用描述符索引值;
⑦表示将描述符索引对应地址中的数据取出来;
⑧表示将Avail队列中的描述符索引值进行更新;
⑨与⑩表示Driver通知Device有新的可用描述符;
3.3 代码分析
代码的分析将围绕下边这个图来展开(Virtio-Net)，偷个懒，只分析单向数据发送了：
3.3.1 virtqueue创建
- 之前的系列文章分析过virtio设备和驱动，Virtio-Net是PCI网卡设备驱动，分别会在virtnet-probe和virtio_pci_probe中完成所有的初始化;
- virtnet_probe函数入口中，通过init_vqs完成Virtqueue的初始化，这个逐级调用关系如图所示，最终会调用到vring_create_virtqueue来创建Virtqueue;
- 这个创建的过程中，有些细节是忽略的，比如通过PCI去读取设备的配置空间，获取创建Virtqueue所需要的信息等;
- 最终就是围绕vring_virtqueue数据结构的初始化展开，其中vring数据结构的内存分配也都是在驱动中完成，整个结构体都由驱动来管理与维护;
3.3.2 virtio-net驱动发送
- 网络数据的传输在驱动中通过start_xmit函数来实现;
- xmit_skb函数中，sg_init_table初始化sg列表，sg_set_buf将sg指向特定的buffer，skb_to_sgvec将socket buffer中的数据填充sg;
- 通过virtqueue_add_outbuf将sg添加到Virtqueue中，并更新Avail队列中描述符的索引值;
- virtqueue_notify通知Device，可以过来取数据了;
3.3.3 Qemu virtio-net设备接收
- Guest驱动写寄存器操作时，陷入到KVM中，最终Qemu会捕获到进行处理，入口函数为kvm_handle_io;
- Qemu中会针对IO内存区域设置读写的操作函数，当Guest进行IO操作时，最终触发操作函数的调用，针对Virtio-Net，由于它是PCI设备，操作函数为virtio_pci_config_write;
- virtio_pci_config_write函数中，对Guest的写操作进行判断并处理，比如在VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY时，调用virtio_queue_notify，用于处理Guest驱动的通知，并最终回调handle_output函数;
- 针对Virtio-Net设备，发送的回调函数为virtio_net_handle_tx_bh，并在virtio_net_flush_tx中完成操作;
- 通用的操作模型：通过virtqueue_pop从Avail队列中获取地址，将数据进行处理，通过virtqueue_push将处理完后的描述符索引更新到Used队列中，通过virtio_notify通知Guest驱动;
- Virtqueue这种设计思想比较巧妙，不仅用在virtio中，在AMP系统中处理器之间的通信也能看到它的身影。
草草收场了，下回见。
参考
https://www.redhat.com/en/blog/virtqueues-and-virtio-ring-how-data-travels
Virtual I/O Device Version 1.1
