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前言

cpu有两个地址空间：io 地址空间和内存地址空间。io地址空间是给设备用的，平时说设备占有哪些端口，指的就是io地址空间里的地址。内存地址空间相对比较复杂，这个地址空间被DRAM，设备和Flash rom等使用，最终呈现给cpu的是一个线性地址空间。

附：平时编程说的物理地址指的是内存地址空间的地址，不要误认为这个地址一定是物理内存，譬如3G以上的物理地址很可能对应的是某个PCI设备。

什么是线性地址空间，鉴于不同的地方对这个名词有不同的解释，先在文章的开头申明一下，本文说的线性地址空间指的是从cpu的角度看到的一段连续的可以访问的地址空间，其中包括了真正的物理内存RAM，PCI地址空间，还有一些设备的ROM占据的地址空间，这些地址空间互相重叠最后呈现给cpu的是一个统一的线性的地址空间。
附上两张图：

这两图截自两篇系列文章： System Address Map Initialization in x86/x64 Architecture Part 1: PCI-Based Systems System Address Map Initialization in x86/x64 Architecture Part 2: PCI Express-Based Systems 这两篇文章详细解释了pci和pcie设备在系统地址里的映射，对于理解线性地址空间和pci设备有很好的帮助，强烈建议仔细阅读。

qemu维护地址空间

qemu负责模拟虚机的外设，因此虚机的线性地址空间主要由qemu进行管理，也就是确定线性地址空间中哪段地址属于哪个设备或者DRAM或者其他的什么。通过qemu的monitor可以查看运行中的虚机的地址空间，如果用libvirt启动的话，可以这样查看： 

virsh qemu-monitor-command –hmpinfo mtree 

注： qemu源码里有一篇文档介绍了qemu的虚机内存管理 Docs/memory.txt 

address space 和 memory region

在qemu里有几个重要的数据结构来维护虚机的线性地址空间： AddressSpace, MemoryRegion, FlatView, MemoryListener等。
在memory_map_init 中可以看到对两个最重要的address space的初始化: address_space_memory 和 address_space_io

address_space_memory其实就是虚机的线性地址空间（设备的mmio分布在这个地址空间），address_space_io是虚机的io地址空间（设备的io port就分布在这个地址空间里）。
不管是DRAM还是设备的资源都要通过memory region添加到address space里。

DRAM的memory region

DRAM的memory_region初始化在pc_memory_init里可以看到：

legacy devices的地址一般是固定的，在设备初始化的时候就可以通过memory_region_add_subregion加入到地址空间的确切位置。 

pci设备的memory region

PCI设备的资源在地址空间中的偏移是动态不确定的，一般PCI设备需要的memory region对应的就是bar，一开始初始化memory region，然后用pci_register_bar注册bar。那么到底在什么地方将bar对应的memory region添加到address space里呢？
看一下pci_update_mappings函数：

pci bus 的address_space_io和address_space_mem又是在哪里定义的？

从上面的代码片段可以看出pci bus的address_space_io就是address_space_io的root memory region，而address_space_mem是新建的一个属于pci设备的总的memory region，在pc_pci_as_mapping_init里将pci_address_space以-1的优先级加入到system_memory里，将pci设备的地址空间和线性地址空间进行统一。
而每个pci设备在pci_update_mappings里将他们的bar作为sub memory region加入到其附属的pci总线的address_space_io或者address_space_mem里，其实就是添加到统一的io地址空间或者内存地址空间（线性地址空间）。 

回顾一下pci_update_mappings，它是在pci_default_write_config里被调用的，而大部分pci设备写config space的时候都会调用到pci_default_write_config，也就是说虚机的fireware或者OS确定了bar的基地址后，更新config space，然后bar就会正式添加到io地址空间或者线性地址空间，在此之前，qemu里的pci设备只是定义了bar，相当于准备好了硬件，但是还不能在地址空间里看到pci设备的bar。

内部细节

有关地址空间分布的api内部有一些细节挺绕的，当初也花了一些时间来理解，这里记录一些认为比较关键的函数点，权充日后按图索骥之用，并不会详细地展开每个函数。

​锁的存在

memory_region_add_subregion这样的函数会更新memory region内部的数据结构，可以从代码上看明显没有锁的存在，难道这个函数确保不会被并发访问吗？ 当然不是，在主线程和vcpu线程都可能会更新设备的memory region，因此这类函数一定存在并发使用的可能。那么同步措施到底在哪里做的呢？

关键在qemu_mutex_lock_iothread这个函数，从下面的代码可以看到这个函数其实就是锁住了一把全局锁。

这个函数在vcpu线程里使用：

可以看到整个线程除了进入kvm没有加锁，其他时候都会加锁。也就是说vcpu线程里处理io事件的时候是会持有这把锁的。

再看看这把锁在qemu里的应用：

在os_host_main_loop_wait里有这把锁的存在：

可以看出，除了poll的时候释放了锁，其他时候会占有锁。而os_host_main_loop_wait这个函数是主线程里循环等待事件的函数节点，

所以主线程里每次处理io事件的时候也会获取这把锁，这时候就可以解释memory region的更新函数里为什么没有看见锁了，因此实际上用的是这一把全局锁。

memory_region_transaction_begin和memory_region_transaction_commit

在每个更新memory region的函数里都能看到这两个函数对，这两个函数对干什么呢？

函数对的关键其实是memory_region_transaction_depth的计数，也就是说这两个函数对允许递归调用，在一个函数对内部可以再调用多个函数对，只要函数数量是配对的，那么只有等到最外层memory_region_transaction_commit才会开始地址空间的更新。为什么需要这样做呢，这是因为每次更新地址空间的花销是比较大的，如果把多个memory region的更新操作放在一起执行，那么最终只会产生一次地址空间的更新，这是很划算的。

在ich9.c里找到了这样的一个例子：

memory_listener

地址空间里有个比较重要的数据结构是memory listner，这个数据结构里可以存放一些回调函数，顾名思义，回调函数被调用的时机就是地址空间发生变动的时候。譬如在memory_region_transaction_commit里可以看到对begin和commit的调用，而在address_space_update_topology_pass里可以看到对region_add，region_del，region_nop的调用。

比较重要的memory_listner有kvm_memory_listener，kvm_io_listener，dispatch_listener。kvm相关的两个listner比较明显，用意就是在qemu的地址空间发生变动的时候通过回调函数通知到kvm。

dispatch_listener的初始化在address_space_init_dispatch，它在每个地址空间里都存在，用意是在地址空间发生变动的时候，通过内部的数据结构记录这种变化，以此得知地址空间里每一段地址应该属于哪个memory region，这样当虚机有io操作需要在qemu里完成的时候，也就是vcpu线程从kvm返回需要处理io或者mmio的时候都需要通过对应的地址空间的dispatch_listner找到io操作的目标。具体可以看address_space_rw里的address_space_translate函数。