1.1.4　VCPU生命周期

对于每个虚拟处理器（VCPU），VMM使用一个线程来代表VCPU这个实体。在Guest运转过程中，每个VCPU基本都在如图1-3所示的状态中不断地转换。

图1-3　VCPU生命周期

1）在用户空间准备好后，VCPU所在线程向内核中KVM模块发起一个ioctl请求KVM_RUN，告知内核中的KVM模块，用户空间的操作已经完成，可以切入Guest模式运行Guest了。

2）在进入内核态后，KVM模块将调用CPU提供的虚拟化指令切入Guest模式。如果是首次运行Guest，则使用VMLaunch指令，否则使用VMResume指令。在这个切换过程中，首先，CPU的状态（也就是Host的状态）将会被保存到VMCS中存储Host状态的区域，非CPU自动保存的状态由KVM负责保存。然后，加载存储在VMCS中的Guest的状态到物理CPU，非CPU自动恢复的状态则由KVM负责恢复。

3）物理CPU切入Guest模式，运行Guest指令。当执行Guest指令遇到敏感指令时，CPU将从Guest模式切回到Host模式的ring 0，进入Host内核的KVM模块。在这个切换过程中，首先，CPU的状态（也就是Guest的状态）将会被保存到VMCS中存储Guest状态的区域，然后，加载存储在VMCS中的Host的状态到物理CPU。同样的，非CPU自动保存的状态由KVM模块负责保存。

4）处于内核态的KVM模块从VMCS中读取虚拟机退出原因，尝试在内核中处理。如果内核中可以处理，那么虚拟机就不必再切换到Host模式的用户态了，处理完后，直接快速切回Guest。这种退出也称为轻量级虚拟机退出。

5）如果内核态的KVM模块不能处理虚拟机退出，那么VCPU将再进行一次上下文切换，从Host的内核态切换到Host的用户态，由VMM的用户空间部分进行处理。VMM用户空间处理完毕，再次发起切入Guest模式的指令。在整个虚拟机运行过程中，步骤1～5循环往复。

下面是KVM切入、切出Guest的代码：

commit 6aa8b732ca01c3d7a54e93f4d701b8aabbe60fb7
[PATCH] kvm: userspace interface
linux.git/drivers/kvm/vmx.c
static int vmx_vcpu_run(struct kvm_vcpu *vcpu, …)
{
    u8 fail;
    u16 fs_sel, gs_sel, ldt_sel;
    int fs_gs_ldt_reload_needed;
again:
    …
        /* Enter guest mode */
        "jne launched \n\t"
        ASM_VMX_VMLAUNCH "\n\t"
        "jmp kvm_vmx_return \n\t"
        "launched: " ASM_VMX_VMRESUME "\n\t"
        ".globl kvm_vmx_return \n\t"
        "kvm_vmx_return: "
        /* Save guest registers, load host registers, keep flags */
    …
        if (kvm_handle_exit(kvm_run, vcpu)) {
            …
          goto again;
        }
    }
    return 0;
}

在从Guest退出时，KVM模块首先调用函数kvm_handle_exit尝试在内核空间处理Guest退出。函数kvm_handle_exit有个约定，如果在内核空间可以成功处理虚拟机退出，或者是因为其他干扰比如外部中断导致虚拟机退出等无须切换到Host的用户空间，则返回1；否则返回0，表示需要求助KVM的用户空间处理虚拟机退出，比如需要KVM用户空间的模拟设备处理外设请求。

如果内核空间成功处理了虚拟机的退出，则函数kvm_handle_exit返回1，在上述代码中即直接跳转到标签again处，然后程序流程会再次切入Guest。如果函数kvm_handle_exit返回0，则函数vmx_vcpu_run结束执行，CPU从内核空间返回到用户空间，以kvmtool为例，其相关代码片段如下：

commit 8d20223edc81c6b199842b36fcd5b0aa1b8d3456
Dump KVM_EXIT_IO details
kvmtool.git/kvm.c
int main(int argc, char *argv[])
{
    …
    for (;;) {
        kvm__run(kvm);
        switch (kvm->kvm_run->exit_reason) {
        case KVM_EXIT_IO:
        …
    }
    …
}

根据代码可见，kvmtool发起进入Guest的代码处于一个for的无限循环中。当从KVM内核空间返回用户空间后，kvmtool在用户空间处理Guest的请求，比如调用模拟设备处理I/O请求。在处理完Guest的请求后，重新进入下一轮for循环，kvmtool再次请求KVM模块切入Guest。