异常处理流程
之前讲过QEMU、KVM和Guest OS三种层次以及对应的三种模式。如下：
下面从代码角度讲这三层是如何配合的。
前面讲过，首先QEMU层用户发起启动虚拟机命令后会通过ioctl调用进入到kvm内核层，完成相关初始化工作后就运行虚拟机。
在kvm内核层中，当接收到ioctl的KVM_RUN命令后，实际调用的是kvm_arch_vcpu_ioctl_run()函数。
case KVM_RUN: //在文件virt/kvm/kvm_main.c
r = -EINVAL;
if (arg)
goto out;
r =kvm_arch_vcpu_ioctl_run(vcpu, vcpu->run);//
trace_kvm_userspace_exit(vcpu->run->exit_reason,r);
break;
随后依次调用__vcpu_run()，vcpu_enter_guest()，kvm_x86_ops->run()，vmx_vcpu_run()，在vmx_vcpu_run()函数中有一段汇编语言被调用，这段汇编中执行了ASM_VMX_VMLAUNCH或者ASM_VMX_VMRESUME指令进入到客户模式。
asm(
.........//省略部分代码
/* Enter guest mode */
"jne 1f \n\t"
__ex(ASM_VMX_VMLAUNCH)"\n\t"
"jmp 2f \n\t"
"1: "__ex(ASM_VMX_VMRESUME) "\n\t"
........//省略部分代码
);
执行汇编指令进入到客户模式能够实现是因为KVM采用了硬件虚拟化的技术，比如Intel的芯片上提供了硬件支持并提供了相关一系列指令。再具体我也不知道了，查看Intel手册吧。那么进入到客户模式后，客户模式因为一些异常需要退出到KVM内核进行处理，这个是怎么实现的呢？
首先我们要说一下一个与异常处理相关的重要的数据结构VMCS。VMCS是虚拟机控制结构，他分为三部分：版本信息；终止标识符；VMCS数据域。其中VMCS数据域包含六类信息：客户状态域，宿主机状态域，VM-Entry控制域，VM-Execution控制域，VM-Exit控制域以及VM-Exit信息域。
宿主机状态域保存了基本的寄存器信息，其中CS:RIP指向KVM中异常处理程序的入口地址，VM-Exit信息域中存放异常退出原因等信息。实际上，在KVM内核初始化vcpu时就将异常处理程序入口地址装载进VMCS中CS:RIP寄存器结构，当客户机发生异常时，就根据这个入口地址退出到内核模式执行异常处理程序。 KVM内核中异常处理总入口函数是vmx_handle_exit()函数。
static int vmx_handle_exit(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
struct vcpu_vmx *vmx = to_vmx(vcpu);
u32 exit_reason = vmx->exit_reason;
........//一些处理，省略这部分代码
if (exit_reason <kvm_vmx_max_exit_handlers
&& kvm_vmx_exit_handlers[exit_reason])
returnkvm_vmx_exit_handlers[exit_reason](vcpu);
else {
vcpu->run->exit_reason= KVM_EXIT_UNKNOWN;
vcpu->run->hw.hardware_exit_reason= exit_reason;
}
return 0;
}
该函数中，首先读取exit_reason，然后进行一些必要的处理，最后调用kvm_vmx_exit_handlers[exit_reason]（vcpu），我们来看一下这个结构，实际上是一个函数指针数组，里面对应着所有的异常相应的异常处理函数。
static int(*const kvm_vmx_exit_handlers[])(struct kvm_vcpu *vcpu) = {
[EXIT_REASON_EXCEPTION_NMI] = handle_exception,
[EXIT_REASON_EXTERNAL_INTERRUPT] = handle_external_interrupt,
[EXIT_REASON_TRIPLE_FAULT] = handle_triple_fault,
[EXIT_REASON_NMI_WINDOW] = handle_nmi_window,
[EXIT_REASON_IO_INSTRUCTION] = handle_io,
[EXIT_REASON_CR_ACCESS] = handle_cr,
[EXIT_REASON_DR_ACCESS] = handle_dr,
[EXIT_REASON_CPUID] = handle_cpuid,
[EXIT_REASON_MSR_READ] = handle_rdmsr,
[EXIT_REASON_MSR_WRITE] = handle_wrmsr,
[EXIT_REASON_PENDING_INTERRUPT] = handle_interrupt_window,
[EXIT_REASON_HLT] = handle_halt,
[EXIT_REASON_INVD] = handle_invd,
[EXIT_REASON_INVLPG] = handle_invlpg,
[EXIT_REASON_RDPMC] = handle_rdpmc,
[EXIT_REASON_VMCALL] = handle_vmcall,
[EXIT_REASON_VMCLEAR] = handle_vmclear,
[EXIT_REASON_VMLAUNCH] = handle_vmlaunch,
[EXIT_REASON_VMPTRLD] = handle_vmptrld,
[EXIT_REASON_VMPTRST] = handle_vmptrst,
[EXIT_REASON_VMREAD] = handle_vmread,
[EXIT_REASON_VMRESUME] = handle_vmresume,
[EXIT_REASON_VMWRITE] = handle_vmwrite,
[EXIT_REASON_VMOFF] = handle_vmoff,
[EXIT_REASON_VMON] = handle_vmon,
[EXIT_REASON_TPR_BELOW_THRESHOLD] = handle_tpr_below_threshold,
[EXIT_REASON_APIC_ACCESS] = handle_apic_access,
[EXIT_REASON_APIC_WRITE] = handle_apic_write,
[EXIT_REASON_EOI_INDUCED] = handle_apic_eoi_induced,
[EXIT_REASON_WBINVD] = handle_wbinvd,
[EXIT_REASON_XSETBV] = handle_xsetbv,
[EXIT_REASON_TASK_SWITCH] = handle_task_switch,
[EXIT_REASON_MCE_DURING_VMENTRY] = handle_machine_check,
[EXIT_REASON_EPT_VIOLATION] = handle_ept_violation,
[EXIT_REASON_EPT_MISCONFIG] = handle_ept_misconfig,
[EXIT_REASON_PAUSE_INSTRUCTION] = handle_pause,
[EXIT_REASON_MWAIT_INSTRUCTION] =handle_invalid_op,
[EXIT_REASON_MONITOR_INSTRUCTION] = handle_invalid_op,
};
这里面比如handle_ept_violation就是影子页（EPT页）缺页异常的处理函数。
我们以handle_ept_violation()为例向下说明，依次调用kvm_mmu_page_fault()，vcpu->arch.mmu.page_fault()，tdp_page_fault()等后续函数完成缺页处理。
在这里，我们要注意kvm_vmx_exit_handlers[exit_reason]（vcpu）的返回值，比如当实际调用handle_ept_violation()时返回值大于0，就直接切回客户模式。但是有时候可能需要Qemu的协助。在实际调用（r = kvm_x86_ops->handle_exit(vcpu);）时，返回值大于0，那么就说明KVM已经处理完成，可以再次切换进客户模式，但如果返回值小于等于0，那就说明需要Qemu的协助，KVM会在run结构体中的exit_reason中记录退出原因，并进入到Qemu中进行处理。这个判断过程是在__vcpu_run()函数中进行的，实际是一个while循环。
static int__vcpu_run(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
......//省略部分代码
r = 1;
while (r > 0) {
if (vcpu->arch.mp_state ==KVM_MP_STATE_RUNNABLE &&
!vcpu->arch.apf.halted)
r =vcpu_enter_guest(vcpu);
else {
......//省略部分代码
}
if (r <= 0)
break;
......//省略部分代码
}
srcu_read_unlock(&kvm->srcu,vcpu->srcu_idx);
vapic_exit(vcpu);
return r;
}
上面函数中vcpu_enter_guest()我们前面讲过，是在kvm内核中转入客户模式的函数，他处于while循环中，也就是如果不需要Qemu的协助，即r>0，那就继续循环，然后重新切换进客户系统运行，如果需要Qemu的协助，那返回值r<=0,退出循环，向上层返回r。
上面说的r一直往上层返回，直到kvm_vcpu_ioctl()函数中的
case KVM_RUN：
trace_kvm_userspace_exit(vcpu->run->exit_reason, r);
这一条语句就是将退出原因注入到Qemu层。
Qemu层这时候读取到ioctl的返回值，然后继续执行，就会判断有没有KVM的异常注入，这里其实我在前一篇文章中简单提及了一下。
int kvm_cpu_exec(CPUArchState *env)
{
.......
do {
......
run_ret = kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN,0);
......
trace_kvm_run_exit(cpu->cpu_index,run->exit_reason);
switch (run->exit_reason) {
case KVM_EXIT_IO:
......
break;
case KVM_EXIT_MMIO:
......
break;
case KVM_EXIT_IRQ_WINDOW_OPEN:
.......
break;
case KVM_EXIT_SHUTDOWN:
......
break;
case KVM_EXIT_UNKNOWN:
......
break;
case KVM_EXIT_INTERNAL_ERROR:
......
break;
default:
......
break;
}
} while (ret == 0);
}
trace_kvm_run_exit(cpu->cpu_index,run->exit_reason);这条语句就是接收内核注入的退出原因，后面switch语句进行处理，每一个case对应一种退出原因，这里你也可以自己添加的。因为也是在while循环中，处理完一次后又进行ioctl调用运行虚拟机并切换到客户模式，这就形成了一个完整的闭环。