QEMU如何實現(xiàn)虛擬機關(guān)機和重啟

時間：2023-06-30 11:00:01 | 來源：網(wǎng)站運營

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QEMU如何實現(xiàn)虛擬機關(guān)機和重啟：

1. 概述

突然發(fā)現(xiàn)，QEMU的hmp命令中，只有關(guān)機（system_powerdown）和整個系統(tǒng)復(fù)位（system_reset，直接虛擬機硬件復(fù)位）的命令，并沒有虛擬機重啟的命令。那QEMU是如何區(qū)分和實現(xiàn)虛擬機系統(tǒng)的關(guān)機和重啟操作的呢？如果再將操作的來源（虛擬機內(nèi)、虛擬機外）考慮在內(nèi)，則可以將這個問題拆分成四個問題問題：

1. 虛擬機內(nèi)關(guān)機操作的實現(xiàn)
2. 虛擬機外關(guān)機操作的實現(xiàn)
3. 虛擬機內(nèi)重啟操作的實現(xiàn)
4. 虛擬機外重啟操作的實現(xiàn)

對于計算機電源方面的操作，其實可以有多種實現(xiàn)方式，目前主流的操作系統(tǒng)，如Windows、Linux，基本上都是支持基于ACPI機制實現(xiàn)的，以下的介紹也都是基于ACPI機制。并且，可以通過QEMU的qmp事件來獲取QEMU發(fā)生的一些事件，查看到虛擬機的行為。

2. ACPI電源管理機制

ACPI標(biāo)準(zhǔn)中，會對系統(tǒng)的各種電源狀態(tài)定義成Sx狀態(tài)，如正常工作為S0，Win10的休眠對應(yīng)S4，關(guān)機對應(yīng)S5等。并且在提交給OS的ACPI表中，會定義System State Package，告知OS需要往PM1a/b_CNT.SLP_TYPE控制寄存器寫入什么樣的數(shù)值讓系統(tǒng)進入對應(yīng)的Sx狀態(tài)。

如，在虛擬機的ACPI表的DSDT子表中，找到如下S5 Package State的定義，即表示需要為PM1a/b_CNT.SLP_TYPE中寫入0，讓系統(tǒng)進入S5（Soft Off）狀態(tài)，也就是咱們正常說的關(guān)機狀態(tài)。

3. 虛擬機內(nèi)關(guān)機操作的實現(xiàn)

當(dāng)在Win10虛擬機內(nèi)點擊Windows菜單中帶的關(guān)機按鈕后，當(dāng)Windows關(guān)閉完各種程序后，在虛擬機關(guān)閉的瞬間，QEMU會收到SHUTDOWN事件，并且geust為True表示該關(guān)機操作是由Guest OS發(fā)起的。

查看QEMU源碼，可以發(fā)現(xiàn)，

當(dāng)虛擬機向PM1 Control Register的Sleep Type和Enable寄存器寫的時候，如果Type為soft power off即S5，就會觸發(fā)關(guān)機操作，即發(fā)出shutdown請求。

QEMU主線程在收到shutdown reqeust的請求后，會發(fā)送SHUTDOWN事件，然后qemu進程退出，完成虛擬機的關(guān)機操作。

4. 虛擬機外關(guān)機操作的實現(xiàn)

QEMU虛擬機外的關(guān)機操作是通過hmp的system_powerdown命令實現(xiàn)的，libvirt的virsh shutdown命令也是通過發(fā)送system_powerdown命令實現(xiàn)的。

和虛擬機內(nèi)觸發(fā)關(guān)機操作類似，只是關(guān)機操作的觸發(fā)源不一樣，system_powerdown模擬的是電源鍵按下的操作。

hmp_system_powerdown -> qmp_system_powerdown -> qemu_system_powerdown_request

main_loop_should_exit在檢測到powerdown請求的時候，調(diào)用qemu_system_powerdown()

qapi_event_send_poerdown發(fā)出POWERDOWN事件。

ICH9初始化（ich9_pm_init）的時候，會注冊一個powerdown notifier，即pm_powerdown_req

該notifier會模擬電源鍵按下產(chǎn)生ACPI SCI中斷，OS在收到這個中斷的時候，就會做出相應(yīng)的處理。默認(rèn)情況下，Windows的操作就是關(guān)機。

但是如果將WIndows系統(tǒng)中電源按鈕的的動作設(shè)置為不采取任何動作，即檢測到電源鍵按下后，不做任何操作，則hmp的system_powerdown命令或者libvirt的virsh shutdown命令將被Windows忽略，不做任何操作。

5. 虛擬機內(nèi)重啟操作的實現(xiàn)

對于支持ACPI電源管理的虛擬機（Guest OS）而言，虛擬機內(nèi)觸發(fā)的系統(tǒng)重啟也是優(yōu)先通過ACPI機制實現(xiàn)的。查看Linux內(nèi)核源碼reboot命令的實現(xiàn)，可以看到最后執(zhí)行對硬件執(zhí)行reset的時候，會優(yōu)先選擇FADT提供的reset register。

以Q35主板為例，Q35主板的南橋芯片ICH9帶有reset控制邏輯單元，即lpc-reset-control，用于reset整個系統(tǒng)或者是CPU，當(dāng)虛擬機往這邊寫的時候，會觸發(fā)相應(yīng)的reset操作。

對應(yīng)的Reset寄存器定義如下所示：

當(dāng)往RST_CPU比特位寫1的時候，就會觸發(fā)qemu_system_reset_request()。

在ACPI標(biāo)準(zhǔn)中，也有對Reset Register進行定義：

前面說的ICH9中的lpc-reset-control就是Reset Register的一種具體實現(xiàn)。

ACPI大表中FADT（簽名為FACP）表的Offset 116起的12個字節(jié)的RESET_REG，RESET_REG包含reset regsiter的地址。并且Offset 112的Flags有比特位用于表示RESET_REG是否有實現(xiàn)。

其中RESET_REG字段包含的GAS（Generic Address Structure）的定義如下所示：

• Address Space ID為地址空間ID，對于RESET_REG而言，該寄存器只能映射到I/O地址空間，PCI配置空間或者系統(tǒng)內(nèi)存空間。
• Register Bit Width，對于RESET_REG而言，固定為8比特。
• Register Bit Offset，對于RESET_REG而言，固定為0
• Access Size表示訪問的對其要求。
• Address為給定地址空間的具體地址。

以Q35主板為例，在虛擬機內(nèi)，通過RW Everything可以看到ACPI表中，F(xiàn)ACP表中的Flags標(biāo)記中，RESET_REG_SUP為1，標(biāo)志系統(tǒng)支持RESET_REG寄存器。

并且reset register的地址為I/O port 0xCF9，并且reset value為0x0F，即往里面些0x0F后，系統(tǒng)會reset。

Guest OS根據(jù)這些信息，在執(zhí)行系統(tǒng)重啟的最后階段（即OS已經(jīng)保存好狀態(tài)，為最后主要硬件的reset做好準(zhǔn)備），就會將reset value的值寫到reset register中，觸發(fā)主板硬件執(zhí)行reset操作。

根據(jù)前面的代碼，QEMU在實現(xiàn)ICH9中的Reset寄存器的時候，當(dāng)往Reset寄存器寫的時候，就會觸發(fā)reset請求（qemu_system_reset_request()），執(zhí)行qemu_system_reset，并發(fā)出RESET事件。

在虛擬機的hmp通道中就可以看到RESET事件，并且guest為Ture，說明是Guest OS主動觸發(fā)的reset操作。

6. 虛擬機外重啟操作的實現(xiàn)

對于QEMU的qmp/hmp通道而言，是沒有虛擬機重啟的命令的，只有硬件重啟（system_reset）命令，但是在libvirt端卻有虛擬機重啟的virsh reboot命令，那virsh reboot是如何實現(xiàn)的呢？

virsh reboot重啟虛擬機是模擬按電源鍵觸發(fā)Windows關(guān)機 ，即POWERDOWN事件，然后Windows關(guān)機，觸發(fā)SHUTDOWN事件（guest為true）。Windows關(guān)機后，qemu進程不退出，然后由libvirt觸發(fā)RESET事件（guest為false），觸發(fā)虛擬機硬件reset，讓虛擬機重新啟動。

所以virsh reboot實際上是通過虛擬機關(guān)機，qemu進程不退出、虛擬機系統(tǒng)硬件reset的操作來實現(xiàn)的，對Guest來說其實就是關(guān)機再開機，并不是真正的重啟。

如果Guest OS針對用戶發(fā)起的關(guān)機和重啟操作執(zhí)行的關(guān)機過程有所區(qū)別的話，virsh reboot操作其實就無法實現(xiàn)Guest OS的重啟操作。以Win10 Guest OS為例，若Win10開啟了快速啟動，在Windows的關(guān)機過程中，Windows的內(nèi)核其實是進行了休眠而不是關(guān)閉，所以系統(tǒng)重啟后，會發(fā)現(xiàn)，Windows的內(nèi)核運行時間并沒有清零，而是累加了上次關(guān)機前的運行時間。

7. 總結(jié)

綜上所述，QEMU的虛擬機內(nèi)關(guān)機是通過模擬ACPI電源控制寄存器（PM1a/b_CNT）實現(xiàn)的，虛擬機外的關(guān)機則是通過模擬電源按鍵實現(xiàn)的。虛擬機內(nèi)的重啟操作，是通過模擬Reset控制寄存器實現(xiàn)的。但是，虛擬機外重啟操作并沒有直接的模擬，主要是因為Guest OS對外并沒有重啟操作的接口，并且重啟操作過程中，Guest OS是需要保存自己的軟件狀態(tài)的，什么時候執(zhí)行底層的硬件reset操作，QEMU本身并不知道（Guest OS）并不會提前告知硬件，或者對外發(fā)出事件。所以虛擬機外并沒有真正的重啟操作命令，而是通過虛擬機關(guān)機、再啟動實現(xiàn)的，這時候就需要具體的管理程序，如libvirt，對虛擬機的關(guān)機、啟動的過程進行跟蹤和監(jiān)控，并且這種實現(xiàn)方式在少數(shù)場景（如Win10開啟了快速啟動）將不適用。