1. 一句話總結(jié)
內(nèi)存虛擬化解決虛擬機里面的進程如何訪問物理機上的內(nèi)存這一問題。
GuestOS本身有虛擬地址空間，用GVA表示。虛擬機認為自己獨占整個內(nèi)存空間，用GPA表示。
HostOS本身有虛擬機地址空間，用HVA表示。宿主機本身有物理內(nèi)存空間，用HPA表示。
好，內(nèi)存虛擬化的問題變成了GVA->HPA的映射問題。
GVA->GPA通過GuestOS頁表映射。HVA->HPA通過HostOS頁表映射。因此，只要建立GPA->HVA的映射關(guān)系，即可解決內(nèi)存虛擬化的問題。但，這樣三段逐次映射，效率低下。
引入軟件模擬的影子頁表和硬件輔助的EPT頁表。
影子頁表：GuestOS創(chuàng)建GVA->GPA頁表的時候，kvm知道GVA對應(yīng)的HPA，并偷偷記錄下映射關(guān)系GVA->HPA。后續(xù)需要GVA到GPA映射的時候，根據(jù)影子頁表就能查到HPA。
EPT頁表:硬件層面引入EPTP寄存器。直接將Guest的CR3加載到宿主機的MMU中。同時EPT頁表被載入專門的EPT頁表指針寄存器 EPTP。也就是說GVA->GPA->HPA兩次地址轉(zhuǎn)換都由硬件實現(xiàn)。
2. 概述
我們知道80386引入了保護模式后，內(nèi)存空間分為虛擬地址空間和物理地址空間。后續(xù)引入頁表機制，把虛擬機地址送往mmu，mmu查TLB不中的情況下，依次查頁表就可以找到對應(yīng)的物理地址。
在虛擬化場景下情況略微復(fù)雜，分為以下幾種：
①GuestOS 虛擬地址（guestOS virtual Adress,GVA）
說白了guestos中進程使用的虛擬地址就是GVA，也就是程序訪問邏輯存儲器的地址。
②guestOS 物理地址(GuestOS Physical Address,GPA)
Guestos認為的物理地址，也是虛擬機mmu查頁表得出的地址但是他本質(zhì)是一個邏輯上的地址，是引入虛化后產(chǎn)生的一個邏輯概念。它必須借助于內(nèi)存虛擬化映射到宿主機的物理地址上才能訪問內(nèi)存
③主機虛擬機地址（Host virtul Address,HVA）
宿主機中的虛擬地址，宿主機進程使用的虛擬地址空間。
④主機物理地址（Host Physical Address,HPA）
宿主機真實內(nèi)存地址，真實可以訪問的物理內(nèi)存空間。
至此，在虛擬機場景下，如何由GVA->HPA就是內(nèi)存虛擬化的工作。其中，Qemu負責(zé)管理虛擬機內(nèi)存大小，記錄內(nèi)存對應(yīng)的HVA地址（因為Qemu是用戶態(tài)的進程，無法管理HPA）想要轉(zhuǎn)化為HPA需要借助于KVM內(nèi)核也就是影子頁表SPT（Shadow Page Table）和EPT(Extent Page Table)
2.1 影子頁表
在Guestos建立頁表的時候，KVM偷偷的建立了一套指向宿主機物理地址的頁表。客戶機中的每一個頁表項都有一個影子頁表項與之相對應(yīng)，就像其影子一樣。
在客戶機訪問內(nèi)存時，真正被裝入宿主機 MMU 的是客戶機當(dāng)前頁表所對應(yīng)的影子頁表這樣通過影子頁表就可以實現(xiàn)真正的內(nèi)存訪問虛擬機頁表和影子頁表通過一個哈希表建立關(guān)聯(lián)這樣通過頁目錄/頁表的客戶機物理地址就可以在哈希鏈表中快速地找到對應(yīng)的影子頁目錄/頁表當(dāng)客戶機切換進程時，客戶機操作系統(tǒng)會把待切換進程的頁表基址載入 CR3而 KVM 將會截獲這一特權(quán)指令，進行新的處理，也即在哈希表中找到與此頁表基址對應(yīng)的影子頁表基址，載入客戶機 CR3使客戶機在恢復(fù)運行時 CR3 實際指向的是新切換進程對應(yīng)的影子頁表。
2.2 EPT
EPT 技術(shù)在原有客戶機頁表對客戶機虛擬地址到客戶機物理地址映射的基礎(chǔ)上引入了 EPT頁表來實現(xiàn)客戶機物理地址到宿主機物理地址的另一次映射，這兩次地址映射都是由硬件自動完成。客戶機運行時，客戶機頁表被載入 CR3，而 EPT 頁表被載入專門的EPT 頁表指針寄存器 EPTP。
在客戶機物理地址到宿主機物理地址轉(zhuǎn)換的過程中，由于缺頁、寫權(quán)限不足等原因也會導(dǎo)致客戶機退出，產(chǎn)生 EPT異常。對于 EPT 缺頁異常，KVM首先根據(jù)引起異常的客戶機物理地址，映射到對應(yīng)的宿主機虛擬地址，然后為此虛擬地址分配新的物理頁最后 KVM 再更新 EPT 頁表，建立起引起異常的客戶機物理地址到宿主機物理地址之間的映射。對 EPT 寫權(quán)限引起的異常，KVM 則通過更新相應(yīng)的 EPT 頁表來解決。
由此可以看出，EPT 頁表相對于前述的影子頁表，其實現(xiàn)方式大大簡化。而且，由于客戶機內(nèi)部的缺頁異常也不會致使客戶機退出，因此提高了客戶機運行的性能。此外，KVM 只需為每個客戶機維護一套 EPT 頁表，也大大減少了內(nèi)存的額外開銷。
3. Qemu到KVM內(nèi)存管理
3.1 設(shè)置鉤子
