文章目录

• Virtualbox源码分析5:VMM虚拟化实现源码分析2
• • 4.2 VMX R0部分代码
  • • 4.2.1 VMX初始化代码
    • 4.2.2 VMXR0 API代码解析
    • 4.2.3 VMExit handle代码

Virtualbox源码分析5:VMM虚拟化实现源码分析2

4.2 VMX R0部分代码

4.2.1 VMX初始化代码

R0 VMM初始化入口在HMR0.cpp里的HMR0Init()

VMMR0_INT_DECL(int) HMR0Init(void)
{uint32_t fCaps = 0;int rc = SUPR0GetVTSupport(&fCaps);if (RT_SUCCESS(rc)){if (fCaps & SUPVTCAPS_VT_X){rc = hmR0InitIntel();if (RT_FAILURE(rc))return rc;}else{Assert(fCaps & SUPVTCAPS_AMD_V);rc = hmR0InitAmd();if (RT_FAILURE(rc))return rc;}}rc = RTMpNotificationRegister(hmR0MpEventCallback, NULL);AssertRC(rc);rc = RTPowerNotificationRegister(hmR0PowerCallback, NULL);AssertRC(rc);}

这个函数首先会去检查CPU是否支持VT，如果支持VT，检查是VMX还是SVM，并且分别调用这两种CPU的初始化代码
然后会去注册一些系统回调比如电源回调，当系统进入睡眠前，需要退出VMX， 在唤醒当时候再开启VMX，因为如果在睡眠之前不退出VMX状态，会导致唤醒当时候进入不可预知状态。具体说明可以参考intel手册24.11.1

static int hmR0InitIntel(void)
{rc = VMXEnable(HCPhysScratchPage);/** Install the VT-x methods.*/g_HmR0.pfnEnterSession      = VMXR0Enter;g_HmR0.pfnThreadCtxCallback = VMXR0ThreadCtxCallback;g_HmR0.pfnCallRing3Callback = VMXR0CallRing3Callback;g_HmR0.pfnExportHostState   = VMXR0ExportHostState;g_HmR0.pfnRunGuestCode      = VMXR0RunGuestCode;g_HmR0.pfnEnableCpu         = VMXR0EnableCpu;g_HmR0.pfnDisableCpu        = VMXR0DisableCpu;g_HmR0.pfnInitVM            = VMXR0InitVM;g_HmR0.pfnTermVM            = VMXR0TermVM;g_HmR0.pfnSetupVM           = VMXR0SetupVM;
}

这个函数调用VMXEnable进入VMX模式，然后对应的handle函数赋值到g_HmR0里。
下面对每个函数分别解析他们的代码：

4.2.2 VMXR0 API代码解析

VMXR0SetupVM 设置了VMCS

VMMR0DECL(int) VMXR0SetupVM(PVM pVM)
{每个VCPU都需要设置VMCSfor (VMCPUID i = 0; i < pVM->cCpus; i++){rc  = VMXClearVmcs(pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysVmcs);//调用VMPTRLD设置CPU当前VMCS指针rc = VMXActivateVmcs(pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysVmcs);//下面4个函数分别设置一些控制事件rc = hmR0VmxSetupPinCtls(pVCpu);rc = hmR0VmxSetupProcCtls(pVCpu);rc = hmR0VmxSetupMiscCtls(pVCpu);rc = hmR0VmxInitXcptBitmap(pVCpu);//调用VMClEAR保存VMCS设置的内容rc = VMXClearVmcs(pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysVmcs);}
}

VMXR0Enter active vmcs

VMMR0DECL(int) VMXR0Enter(PVMCPU pVCpu)
{...int rc = VMXActivateVmcs(pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysVmcs);...
}

VMXR0EnableCpu 最终调用VMXON指令进入VT-X
VMXEnable是实现在HMR0A.asm文件里的汇编函数，调用vmxon指令在CPU上开启VT-x

VMMR0DECL(int) VMXR0EnableCpu(PHMPHYSCPU pHostCpu, PVM pVM, void *pvCpuPage, RTHCPHYS HCPhysCpuPage, bool fEnabledByHost,PCSUPHWVIRTMSRS pHwvirtMsrs)
{hmR0VmxEnterRootMode(pVM, HCPhysCpuPage, pvCpuPage);
}static int hmR0VmxEnterRootMode(PVM pVM, RTHCPHYS HCPhysCpuPage, void *pvCpuPage)
{int rc = VMXEnable(HCPhysCpuPage);
}

VMXR0DisableCpu和VMXR0EnableCpu相反，最终调用VMMOFF指令在当前CPU上关闭VT-X

VMMR0DECL(int) VMXR0DisableCpu(void *pvCpuPage, RTHCPHYS HCPhysCpuPage)
{return hmR0VmxLeaveRootMode();
}
static int hmR0VmxLeaveRootMode(void)
{VMXDisable();
}

VMXR0InitVM初始化一些结构体数据，主要用于VMM管理

VMMR0DECL(int) VMXR0InitVM(PVM pVM)
{int rc = hmR0VmxStructsAlloc(pVM);
}
static int hmR0VmxStructsAlloc(PVM pVM)
{for (VMCPUID i = 0; i < pVM->cCpus; i++)	{//给每个VCPU分配VMCS内存rc = hmR0VmxPageAllocZ(&pVCpu->hm.s.vmx.hMemObjVmcs, &pVCpu->hm.s.vmx.pvVmcs, &pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysVmcs);//分配保存MsrBitmap的内存rc = hmR0VmxPageAllocZ(&pVCpu->hm.s.vmx.hMemObjMsrBitmap, &pVCpu->hm.s.vmx.pvMsrBitmap,&pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysMsrBitmap);//分配保存GuestMsr的内存rc = hmR0VmxPageAllocZ(&pVCpu->hm.s.vmx.hMemObjGuestMsr, &pVCpu->hm.s.vmx.pvGuestMsr, &pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysGuestMsr);//分配保存HostMsr的内存rc = hmR0VmxPageAllocZ(&pVCpu->hm.s.vmx.hMemObjHostMsr, &pVCpu->hm.s.vmx.pvHostMsr, &pVCpu->hm.s.vmx.HCPhysHostMsr);}
}

VMXR0TermVM 是VMXR0InitVM对应的释放代码

VMMR0DECL(int) VMXR0TermVM(PVM pVM){hmR0VmxStructsFree(pVM);}

VMXR0RunGuestCode是执行GuestOS代码

VMMR0DECL(VBOXSTRICTRC) VMXR0RunGuestCode(PVMCPU pVCpu)
{//进入GuestOS代码，当GuestOS发生VMExit，并且需要host处理这个VMExit的时候，会把VMExit的信息保存到一个全局变量里，然后返回。rcStrict = hmR0VmxRunGuestCodeNormal(pVCpu);//这个函数返回到R3，最终调用调用Host上对应的处理函数int rc2 = hmR0VmxExitToRing3(pVCpu, rcStrict);
}static VBOXSTRICTRC hmR0VmxRunGuestCodeNormal(PVMCPU pVCpu)
{for (;; cLoops++){hmR0VmxPreRunGuestCommitted(pVCpu, &VmxTransient);int rcRun = hmR0VmxRunGuest(pVCpu);hmR0VmxPostRunGuest(pVCpu, &VmxTransient, rcRun);//调用vmexit handle，如果vmexit返回VINF_SUCCESS表示这个vmexit被处理完成了，可以继续执行GuestOS代码//如果VM handle需要host处理，返回非VINF_SUCCESS，就会跳出这个循环，退出VMM，让host处理这个vmexit，然后再返回VMXrcStrict = hmR0VmxHandleExit(pVCpu, &VmxTransient, VmxTransient.uExitReason);if (rcStrict == VINF_SUCCESS){//如果不需要host处理这个vmexit，则继续循环运行GuestOS代码//当然不能一直让GuestOS运行下去这样CPU就一直会被Guest代码全部占满导致hostOS上的进程无法获取执行时间，所以这里有个cMaxResumeLoops上限，当循环超过cMaxResumeLoops时，这强制退出循环。//cMaxResumeLoops 默认是1024，也可以在配置里配置这个值if (cLoops <= pVCpu->CTX_SUFF(pVM)->hm.s.cMaxResumeLoops)continue; /* likely */STAM_COUNTER_INC(&pVCpu->hm.s.StatSwitchMaxResumeLoops);rcStrict = VINF_EM_RAW_INTERRUPT;}//如果需要host处理这个vmexit，则跳出这个循环，返回给R3去处理break;}
}

VMMR0DECL(void) VMXR0ThreadCtxCallback(RTTHREADCTXEVENT enmEvent, PVMCPU pVCpu, bool fGlobalInit)
{
}

VMXR0ExportHostState 保存一些host的状态信息
TODO: 研究一下什么时候会用到这个

VMMR0DECL(int) VMXR0ExportHostState(PVMCPU pVCpu)
{rc = hmR0VmxExportHostControlRegs();rc = hmR0VmxExportHostSegmentRegs(pVCpu);rc = hmR0VmxExportHostMsrs(pVCpu);
}

4.2.3 VMExit handle代码

VMXR0SetupVM 里设置完成了需要handle的VMExit事件之后，当这些事件在GuestOS里被触发的时候，就会产生一个vmexit中断，VMM需要根据中断id，调用对应的中断处理函数。
VMExit中断发生之后，代码运行到
hmR0VmxRunGuestCodeNormal 里的hmR0VmxRunGuest函数返回。
先调用hmR0VmxPostRunGuest获取异常相关的信息

static void hmR0VmxPostRunGuest(PVMCPU pVCpu, PVMXTRANSIENT pVmxTransient, int rcVMRun){....//获取exitreasonuint32_t uExitReason;int rc  = VMXReadVmcs32(VMX_VMCS32_RO_EXIT_REASON, &uExitReason);pVmxTransient->uExitReason    = VMX_EXIT_REASON_BASIC(uExitReason);......}

hmR0VmxRunGuestCodeNormal里根据上面获取的VMExit reason调用相关的exit handle

        /* Handle the VM-exit. */
#ifdef HMVMX_USE_FUNCTION_TABLErcStrict = g_apfnVMExitHandlers[VmxTransient.uExitReason](pVCpu, &VmxTransient);
#elsercStrict = hmR0VmxHandleExit(pVCpu, &VmxTransient, VmxTransient.uExitReason);
#endif

两个分支实现差不多，一个是switch/case 跳转，一个是function table模式跳转
下面是function table的定义：
可以看到，VMX_EXIT_XCPT_OR_NMI 异常对应的处理函数是hmR0VmxExitXcptOrNmi
VMX_EXIT_CPUID 异常对应的处理函数是hmR0VmxExitCpuid

/*** VMX_EXIT dispatch table.*/
static const PFNVMXEXITHANDLER g_apfnVMExitHandlers[VMX_EXIT_MAX + 1] =
{/* 00  VMX_EXIT_XCPT_OR_NMI             */  hmR0VmxExitXcptOrNmi,/* 01  VMX_EXIT_EXT_INT                 */  hmR0VmxExitExtInt,/* 02  VMX_EXIT_TRIPLE_FAULT            */  hmR0VmxExitTripleFault,/* 03  VMX_EXIT_INIT_SIGNAL             */  hmR0VmxExitInitSignal,/* 04  VMX_EXIT_SIPI                    */  hmR0VmxExitSipi,/* 05  VMX_EXIT_IO_SMI                  */  hmR0VmxExitIoSmi,/* 06  VMX_EXIT_SMI                     */  hmR0VmxExitSmi,/* 07  VMX_EXIT_INT_WINDOW              */  hmR0VmxExitIntWindow,/* 08  VMX_EXIT_NMI_WINDOW              */  hmR0VmxExitNmiWindow,/* 09  VMX_EXIT_TASK_SWITCH             */  hmR0VmxExitTaskSwitch,/* 10  VMX_EXIT_CPUID                   */  hmR0VmxExitCpuid,/* 11  VMX_EXIT_GETSEC                  */  hmR0VmxExitGetsec,/* 12  VMX_EXIT_HLT                     */  hmR0VmxExitHlt,/* 13  VMX_EXIT_INVD                    */  hmR0VmxExitInvd,....
};

以最简单的Cpuid的vmexit处理函数为例
因为虚拟机的CPU是虚拟CPU，不能返回真实CPU的Cpuid信息，所以当GuestOS执行CPUID这条指令的时候，一定触发VMExit异常
当GuestOS执行到cpuid这条指令的时候，根据uExitReason跳转到hmR0VmxExitCpuid里

HMVMX_EXIT_DECL hmR0VmxExitCpuid(PVMCPU pVCpu, PVMXTRANSIENT pVmxTransient)
{rcStrict = IEMExecDecodedCpuid(pVCpu, pVmxTransient->cbInstr);	//模拟执行完成后，需要设置HM_CHANGED_GUEST_RIP， 让RIP跳过CPUID这条指令（模拟执行完成）//当下一次进入GuestOS之前的hmR0VmxPreRunGuestCommitted函数最终调用到hmR0VmxExportGuestRip()这个函数，设置新的Guest RIP到CPUID的下一条指令ASMAtomicUoOrU64(&pVCpu->hm.s.fCtxChanged, HM_CHANGED_GUEST_RIP | HM_CHANGED_GUEST_RFLAGS);//模拟cpuid指令成功，这会返回success，让GuestOS继续执行CPUID的下一条指令rcStrict = VINF_SUCCESS;
}

VMM\VMMAll\IEMAll.cpp

VMM_INT_DECL(VBOXSTRICTRC)  IEMExecDecodedCpuid(PVMCPU pVCpu, uint8_t cbInstr)
{//初始化iem模拟器iemInitExec(pVCpu, false /*fBypassHandlers*/);//调用iemCImpl_cpuid这个函数模拟执行一条CPUID指令VBOXSTRICTRC rcStrict = IEM_CIMPL_CALL_0(iemCImpl_cpuid);
}

VMM\VMMAll\IEMAllCImpl.cpp.h

IEM_CIMPL_DEF_0(iemCImpl_cpuid)
{....//调用CPUMGetGuestCpuId，获取模拟的GuestOS CPU相关信息，并保存到GstCtx里对应的寄存器里CPUMGetGuestCpuId(pVCpu, pVCpu->cpum.GstCtx.eax, pVCpu->cpum.GstCtx.ecx,&pVCpu->cpum.GstCtx.eax, &pVCpu->cpum.GstCtx.ebx, &pVCpu->cpum.GstCtx.ecx, 	&pVCpu->cpum.GstCtx.edx);pVCpu->cpum.GstCtx.rax &= UINT32_C(0xffffffff);pVCpu->cpum.GstCtx.rbx &= UINT32_C(0xffffffff);pVCpu->cpum.GstCtx.rcx &= UINT32_C(0xffffffff);pVCpu->cpum.GstCtx.rdx &= UINT32_C(0xffffffff);....
}

后面会专门写一章重点介绍部分重要的VMExit handle的处理过程

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