IO虚拟化——virtio 原理

VirtIO是一种I/O半虚拟化解决方案，它提供了一套通用的I/O设备虚拟化程序，对半虚拟化Hypervisor中的一组通用I/O设备进行抽象。VirtIO通过一组通用的模拟设备在虚拟机中变得可用，这些设备通过一个通用的应用编程接口（API）进行访问。

在完全虚拟化的解决方案中，guest VM要使用底层host资源，需要Hypervisor来截获所有的请求指令，然后模拟出这些指令的行为。这种做法势必会带来很多性能上的开销。而半虚拟化通过底层硬件辅助的方式，将部分没必要虚拟化的指令通过硬件来完成，Hypervisor只负责完成部分指令的虚拟化。要做到这点，需要guest来配合，guest完成不同设备的前端驱动程序，Hypervisor配合guest完成相应的后端驱动程序，这样两者之间通过某种交互机制就可以实现高效的虚拟化过程。

由于不同guest前端设备其工作逻辑大同小异（如块设备、网络设备、PCI设备、balloon驱动等），单独为每个设备定义一套接口实属没有必要，而且还要考虑跨平台的兼容性问题。另外，不同后端Hypervisor的实现方式也大同小异（如KVM、Xen等），这个时候，就需要一套通用框架和标准接口（协议）来完成两者之间的交互过程，VirtIO就是这样一套标准，它极大地解决了这些不通用的问题。

VirtIO的架构从总体上看可以分为四层：前端guest中各种驱动程序模块；后端Hypervisor（实现在Qemu上）上的处理程序模块；中间用于前后端通信的VirtIO层和VirtIO-ring层；以及VirtIO-ring层实现的两个环形缓冲区，分别用于保存前端驱动程序和后端处理程序执行的信息。严格来说，VirtIO和VirtIO-ring可以看做是一层，VirtIO-ring实现了VirtIO的具体通信机制和数据流程。或者这么理解可能更好，VirtIO层属于控制层，负责前后端之间的通知机制（kick、notify）和控制流程，而VirtIO-ring则负责具体数据流转发。

以virtio-blk磁盘为例，采用io_write函数将virtqueue的编号写到相应的寄存器，导致虚拟机退出，进行前端到后端的通知。采用中断注入方式实现后端到前端的通知，并通过IO环（vring）进行数据的共享。IO模型也随之发生变化。

总的来说，VirtIO是一种有效的I/O半虚拟化解决方案，通过提供一套通用的I/O设备虚拟化程序和标准接口（协议），解决了跨平台兼容性问题，提高了驱动程序开发效率。其架构包括前端驱动程序模块、后端处理程序模块、VirtIO层和VirtIO-ring层以及两个环形缓冲区。通过高效的通知机制和控制流程以及数据共享机制，VirtIO实现了高效的虚拟化过程。