KVM虚拟化原理中的块设备IO虚拟化是怎样的

KVM虚拟化原理中的块设备IO虚拟化是怎样的，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

块设备IO虚拟化简介

作为另外一个重要的虚拟化资源，块设备IO的虚拟化也是同样非常重要的。同网络IO虚拟化类似，块设备IO也有全虚拟化和virtio的虚拟化方式（virtio-blk）。现代块设备的工作模式都是基于DMA的方式，所以全虚拟化的方式和网络设备的方式接近，同样的virtio-blk的虚拟化方式和virtio-net的设计方式也是一样，只是在virtio backend端有差别。

传统块设备架构

块设备IO协议栈

如上图所示，我们把块设备IO的流程也看做一个TCP/IP协议栈的话，从最上层说起。

Page cache层，这里如果是非直接IO，写操作如果在内存够用的情况下，都是写到这一级后就返回。在IO流程里面，属于writeback模式。 需要持久化的时候有两种选择，一种是显示的调用flush操作，这样此文件（以文件为单位）的cache就会同步刷到磁盘，另一种是等待系统自动flush。

VFS，也就是我们通常所说的虚拟文件系统层，这一层给我们上层提供了统一的系统调用，我们常用的create，open，read，write，close转化为系统调用后，都与VFS层交互。VFS不仅为上层系统调用提供了统一的接口，还组织了文件系统结构，定义了文件的数据结构，比如根据inode查找dentry并找到对应文件信息，并找到描述一个文件的数据结构struct file。文件其实是一种对磁盘中存储的一堆零散的数据的一种描述，在Linux上，一个文件由一个inode 表示。inode在系统管理员看来是每一个文件的唯一标识，在系统里面，inode是一个结构，存储了关于这个文件的大部分信息。这个数据结构有几个回调操作就是提供给不同的文件系统做适配的。下层的文件系统需要实现file_operation的几个接口，做具体的数据的读写操作等。

struct file_operations {
    //文件读操作
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    //文件写操作
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
    //文件打开操作
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
};

再往下就是针对不同的文件系统层，比如我们的ext3，ext4等等。 我们在VFS层所说的几个文件系统需要实现的接口，都在这一层做真正的实现。这一层的文件系统并不直接操作文件，而是通过与下层的通用块设备层做交互，为什么要抽象一层通用块设备呢？我们的文件系统适用于不同的设备类型，比如可能是一个SSD盘又或者是一个USB设备，不同的设备的驱动不一样，文件系统没有必要为每一种不同的设备做适配，只需要兼容通用快设备层的接口就可以。

位于文件系统层下面的是通用快设备层，这一层在程序设计里面是属于接口层，用于屏蔽底层不同的快设备做的抽象，为上层的文件系统提供统一的接口。

通用快设备下层就是IO调度层。用如下命令可以看到系统的IO调度算法.

➜  ~ cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop deadline [cfq]

1. noop，可以看成是FIFO（先进先出队列），对IO做一些简单的合并，比如对同一个文件的操作做合并，这种算法适合比如SSD磁盘不需要寻道的块设备。

2. cfq，完全公平队列。此算法的设计是从进程级别来保证的，就是说公平的对象是每个进程。系统为此算法分配了N个队列用来保存来自不同进程的请求，当进程有IO请求的时候，会散列到不同的队列，散列算法是一致的，同一个进程的请求总是被散列到同一个队列。然后系统根据时间片轮训这N个队列的IO请求来完成实际磁盘读写。

3. deadline，在Linux的电梯调度算法的基础上，增加了两个队列，用来处理即将超时或者超时的IO请求，这两个队列的优先级比其他队列的优先级较高，所以避免了IO饥饿情况的产生。

块设备驱动层就是针对不同的块设备的真实驱动层了，块设备驱动层完成块设备的内存映射并处理块设备的中断，完成块设备的读写。

块设备就是真实的存储设备，包括SAS，SATA，SSD等等。块设备也可能有cache，一般称为Disk cache，对于驱动层来说，cache的存在是很重要的，比如writeback模式下，驱动层只需要写入到Disk cache层就可以返回，块设备层保证数据的持久化以及一致性。
通常带有Disk cache的块设备都有电池管理，当掉电的时候保证cache的内容能够保持一段时间，下次启动的时候将cache的内容写入到磁盘中。

块设备IO流程

应用层的读写操作，都是通过系统调用read，write完成，由Linux VFS提供的系统调用接口完成，屏蔽了下层块设备的复杂操作。write操作有直接IO和非直接IO之分（缓冲IO），非直接IO的写操作直接写入到page cache后就返回，后续的数据依赖系统的flush操作，如果在flush操作未完成的时候发生了系统掉电，那可能会丢失一部分数据。直接IO（Direct IO），绕过了page cache，数据必须达到磁盘后才返回IO操作完成。

对于I/O的读写流程，逻辑比较复杂，这里以写流程简单描述如下：

如上图所示，在初始化IO设备的时候，会为IO设备分配一部分物理内存，这个物理内存可以由CPU的MMU和连接IO总线的IOMMU管理，作为共享内存存在。以一个读取操作为例子，当CPU需要读取块设备的某个内容的时候，CPU会通过中断告知设备内存地址以及大小和需要读取的块设备地址，然后CPU返回，块设备完成实际的读取数据后，将数据写入到共享的内存，并以中断方式通知CPU IO流程完成，并设置内存地址，接着CPU直接从内存中读取数据。
写请求类似，都是通过共享内存的方式，这样可以解放CPU，不需要CPU同步等待IO的完成并且不需要CPU做过多的运算操作。
因为块设备IO的虚拟化需要经过两次IO协议栈，一次Guest，一次HV。所以需要把块设备IO协议栈说的很具体一点。

至此，Linux块设备的IO层就基本介绍完整了，以上内容也只是做一个简单的介绍，这部分的内容可以很深入的去了解，在此限于篇幅限制，就不做过多介绍了。

块设备IO虚拟化

块设备的全虚拟化方式和网络IO的DMA设备虚拟化方式类似，这里就不过多介绍了，主要介绍一下virtio-blk。

如上图所示，蓝色表示 writethrough，黄色表示 none，红色表示 writeback。其中虚线表示写到哪一个层次后write调用返回。

• cache=writethrough （蓝色线）
  表示v-backend打开镜像文件并写入时候采用非直接IO+flush操作，也就是说每次写入到Page cache并flush一次，直到数据被真实写入到磁盘后write调用返回，这样必然会导致数据写入变慢，但是好处就是安全性较高。

• cache=none （黄色线）
  cache为none模式表示了v-backend写入文件时候使用到了DIRECT_IO，将会绕过HV的Page cache，直接写入磁盘，如果磁盘有Disk cache的话，写入Disk cache就返回，此模式的好处在于保证性能的前提下，也能保证数据的安全性，在使用了Disk cache电池的情况下。但是对于读操作，因为没有写入HV Page cache，所以会有一定性能影响。

• cache=writeback （红色线）
  此模式表示v-backend使用了非直接IO，写入到HV的Page后就返回，有可能会导致数据丢失。

块设备IO的虚拟化方式也是统一的virtio-x模式，但是virtio-blk需要经过两次IO协议栈，带来了不必要的开销。

看完上述内容，你们掌握KVM虚拟化原理中的块设备IO虚拟化是怎样的的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注亿速云行业资讯频道，感谢各位的阅读！