<code>Read the fucking source code!</code> --By 魯迅
<code>A picture is worth a thousand words.</code> --By 高爾基
說明：
KVM版本：5.9.1
QEMU版本：5.0.0
工具：Source Insight 3.5， Visio
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新的一年， 大家牛起來！
祝小姐姐們：
落雁沉魚 蘭質蕙心 明眸皓齒 螓首蛾眉 天生麗質 天香國色 杏臉桃腮 煦色韶光 涎玉沫珠 宜嗔宜喜 遠山芙蓉 豔色絕世 餘霞成绮 阿嬌金屋 逞嬌呈美 國色天香 花顔月貌 絕色佳人 暗香盈袖 閉月羞花 傾國傾城 溫婉娴淑 千嬌百媚 儀态萬千...
祝男的：
新年好。
先來張圖：
圖中羅列了四個關鍵子產品：<code>Virtio Device</code>、<code>Virtio Driver</code>、<code>Virtqueue</code>、<code>Notification（eventfd/irqfd）</code>；
<code>Virtio Driver</code>：前端部分，處理使用者請求，并将I/O請求轉移到後端；
<code>Virtio Device</code>：後端部分，由Qemu來實作，接收前端的I/O請求，并通過實體裝置進行I/O操作；
<code>Virtqueue</code>：中間層部分，用于資料的傳輸；
<code>Notification</code>：互動方式，用于異步事件的通知；
想在一篇文章中寫完這四個子產品，有點<code>too yong too simple</code>，是以，看起來又是一個系列文章了。
本文先從Qemu側的virtio device入手，我會選擇從一個實際的裝置來闡述，沒錯，還是上篇文章中提到的網絡裝置。
在Qemu的網卡虛拟化時，通常會建立一個虛拟網卡前端和虛拟網卡後端，如下圖：
在虛拟機建立的時候指定參數：<code>-netdev tap, id = tap0， -device virtio-net-pci, netdev=tap0</code>；
建立一個<code>Tap</code>網卡後端裝置；
建立一個<code>Virtio-Net</code>網卡前端裝置；
網卡前端裝置和後端裝置進行互動，最終與Host的驅動完成資料的收發；
全文圍繞着<code>Tap</code>裝置的建立和<code>Virtio-Net</code>裝置的建立展開。
入口流程如下：
Qemu的代碼閱讀起來還是比較費勁的，各種盤根錯節，裡邊充斥着面向對象的思想，先給自己挖個坑，後續會專題研究的，<code>this is for you, you have my words.</code>;
圖中與本文相關的有三個子產品：1）子產品初始化；2）網絡裝置初始化；3）裝置初始化；
Qemu中裝置模拟通過<code>type_init</code>先編譯進系統，在<code>module_call_init</code>時進行回調，比如圖中的<code>xxx_register_types</code>，在這些函數中都是根據<code>TypeInfo</code>類型資訊來建立具體的實作資訊；
<code>net_init_client</code>用來建立網絡裝置，比如<code>Tap</code>裝置；
<code>device_init_func</code>根據Qemu指令的傳入參數建立虛拟裝置，比如<code>Virtio-Net</code>；
下邊進入細節，<code>the devil is in the details</code>。
從上文中，我們知道，<code>Tap</code>與<code>Virtio-Net</code>屬于前後端的關系，最終是通過結構體分别指向對方，如下圖：
<code>NetClientState</code>是網卡模拟的核心結構，表示網絡裝置中的幾個端點，兩個端點通過<code>peer</code>指向對方；
建立Tap裝置的主要工作就是建立一個<code>NetClientState</code>結構，并添加到<code>net_clients</code>連結清單中：
函數的調用細節如下圖：
處理流程隻關注了核心的處理流程，整個過程有很多關于傳入參數的處理，選擇性忽略了；
<code>net_tap_init</code>：與Host的<code>tun</code>驅動進行互動，其實質就是打開該裝置檔案，并進行相應的配置等；
<code>net_tap_fd_init</code>：根據<code>net_tap_info</code>結構，建立<code>NetClientState</code>，并進行相關設定，這裡邊<code>net_tap_info</code>結構體中的接收函數指針用于實際的資料傳輸處理；
<code>tap_read_poll</code>用于将fd添加到Qemu的AioContext中，用于異步響應，當有資料來臨時，捕獲事件并進行處理；
以上就是Tap後端的建立過程，下文将針對前端建立了。
這是一個複雜的流程。
Qemu中用C語言實作了面向對象的模型，用于對裝置進行抽象，精妙！
針對Virtio-Net裝置，結構體及拓撲組織關系如下圖：
<code>DeviceState</code>作為所有裝置的父類，其中派生了<code>VirtIODevice</code>和<code>PCIDevice</code>，而本文研究的<code>Virtio-Net</code>派生自<code>VirtIODevice</code>；
Qemu中會虛拟一個PCI總線，同時建立<code>virtio-net-pci</code>，<code>virtio-balloon-pci</code>，<code>virtio-scsi-pci</code>等PCI代理裝置，這些代理裝置挂載在PCI總線上，同時會建立Virtio總線，用于挂載最終的裝置，比如<code>VirtIONet</code>；
PCI代理裝置就是一個紐帶；
與裝置建立相關的三個函數，可以從<code>device_init_func</code>入口跟蹤得知：
當Qemu指令通過<code>-device</code>傳入參數時，<code>device_init_func</code>會根據參數去查找裝置，并最終調用到該裝置對應的類初始化函數、對象初始化函數、以及realize函數；
是以，我們的分析就是這三個入口；
在網卡虛拟化過程中，參數隻需要指定PCI代理裝置即可，也就是<code>-device virtio-net-pci, netdev=tap0</code>，進而會調用到<code>virtio_net_pci_class_init</code>函數；
由于實作了類的繼承關系，在子類初始化之前，需要先調用父類的實作，圖中也表明了繼承關系以及調用函數順序；
C語言實作繼承，也就是将父對象放置在自己結構體的開始位置，圖中的顔色能看出來；
類初始化結束後，開始對象的建立：
針對<code>Virtio-Net-PCI</code>的執行個體化比較簡單，作為代理，負責将它的後繼對象初始化，也就是本文的前端裝置<code>Virtio-Net</code>；
<code>realize</code>的調用，比較繞，簡單來說，它的類繼承關系中存在多個<code>realize</code>的函數指針，最終會從父類開始執行，一直調用到子類，而這些函數指針的初始化在什麼時候做的呢？沒錯，就是在class_init類初始化的時候，進行了指派，細節不表，結論可靠；
最終的調用關系就如圖了；
到目前為止，我們似乎都還沒有看到<code>Virtio-Net</code>裝置的相關操作，不用着急，已經很接近真相了：
<code>virtio_net_pci_realize</code>函數，會觸發<code>virtio_device_realize</code>的調用，該函數是一個通用的virtio裝置實作函數，所有的virtio裝置都會調用，而我們的前端裝置<code>Virtio-Net</code>也是virtio裝置；
<code>virtio_net_device_realize</code>就到了我們的主角了，它進行了virtio通用的設定（後續在資料通信中再分析），還建立了一個<code>NetClientState</code>端點，與<code>Tap</code>裝置對應，分别指向了對方，惺惺相惜，各自安好；
<code>virtio_bus_device_plugged</code>表示裝置插入總線時的處理，完成的工作就是按照PCI總線規劃，配置各類資訊，以便與Guest OS中的virtio驅動互動，後續的文章再分析了；
本文基本捋清了虛拟網卡前端裝置和後端裝置的建立過程，完成的工作隻是綁定了彼此，資料互動以及通知機制，留給後續吧。
<code>《 Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.1》</code>
<code>https://www.redhat.com/en/blog/virtio-devices-and-drivers-overview-headjack-and-phone</code>
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