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背景
Read the fucking source code! --By 鲁迅 A picture is worth a thousand words. --By 高尔基
说明：
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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， 大家牛起来!
祝小姐姐们：
落雁沉鱼 兰质蕙心 明眸皓齿 螓首蛾眉 天生丽质 天香国色 杏脸桃腮 煦色韶光 涎玉沫珠 宜嗔宜喜 远山芙蓉 艳色绝世 余霞成绮 阿娇金屋 逞娇呈美 国色天香 花颜月貌 绝色佳人 暗香盈袖 闭月羞花 倾国倾城 温婉娴淑 千娇百媚 仪态万千...
祝男的：
新年好。
1. 概述
先来张图：
图中罗列了四个关键模块：Virtio Device、Virtio Driver、Virtqueue、Notification(eventfd/irqfd); Virtio Driver：前端部分，处理用户请求，并将I/O请求转移到后端; Virtio Device：后端部分，由Qemu来实现，接收前端的I/O请求，并通过物理设备进行I/O操作; Virtqueue：中间层部分，用于数据的传输; Notification：交互方式，用于异步事件的通知;
想在一篇文章中写完这四个模块，有点too yong too simple，所以，看起来又是一个系列文章了。
本文先从Qemu侧的virtio device入手，我会选择从一个实际的设备来阐述，没错，还是上篇文章中提到的网络设备。
2. 流程分析
在Qemu的网卡虚拟化时，通常会创建一个虚拟网卡前端和虚拟网卡后端，如下图：
在虚拟机创建的时候指定参数：-netdev tap, id = tap0， -device virtio-net-pci, netdev=tap0; 创建一个Tap网卡后端设备; 创建一个Virtio-Net网卡前端设备; 网卡前端设备和后端设备进行交互，最终与Host的驱动完成数据的收发;
全文围绕着Tap设备的创建和Virtio-Net设备的创建展开。
入口流程如下：
Qemu的代码阅读起来还是比较费劲的，各种盘根错节，里边充斥着面向对象的思想，先给自己挖个坑，后续会专题研究的，this is for you, you have my words.; 图中与本文相关的有三个模块：1)模块初始化;2)网络设备初始化;3)设备初始化;
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Qemu中设备模拟通过type_init先编译进系统，在module_call_init时进行回调，比如图中的xxx_register_types，在这些函数中都是根据TypeInfo类型信息来创建具体的实现;
net_init_client用来创建网络设备，比如Tap设备;
device_init_func根据Qemu命令的传入参数创建虚拟设备，比如Virtio-Net;
下边进入细节，the devil is in the details。
3. tap创建
从上文中，我们知道，Tap与Virtio-Net属于前后端的关系，最终是通过结构体分别指向对方，如下图：
NetClientState是网卡模拟的核心结构，表示网络设备中的几个端点，两个端点通过peer指向对方;
创建Tap设备的主要工作就是创建一个NetClientState结构，并添加到net_clients链表中：
函数的调用细节如下图：
处理流程只关注了核心的处理流程，整个过程有很多关于传入参数的处理，选择性忽略了; net_tap_init：与Host的tun驱动进行交互，其实质就是打开该设备文件，并进行相应的配置等; net_tap_fd_init：根据net_tap_info结构，创建NetClientState，并进行相关设置，这里边net_tap_info结构体中的接收函数指针用于实际的数据传输处理; tap_read_poll用于将fd添加到Qemu的AioContext中，用于异步响应，当有数据来临时，捕获事件并进行处理;
以上就是Tap后端的创建过程，下文将针对前端创建了。
4. virtio-net创建
这是一个复杂的流程。
4.1 数据结构
Qemu中用C语言实现了面向对象的模型，用于对设备进行抽象，精妙!
针对Virtio-Net设备，结构体及拓扑组织关系如下图：
DeviceState作为所有设备的父类，其中派生了VirtIODevice和PCIDevice，而本文研究的Virtio-Net派生自VirtIODevice; Qemu中会虚拟一个PCI总线，同时创建virtio-net-pci，virtio-balloon-pci，virtio-scsi-pci等PCI代理设备，这些代理设备挂载在PCI总线上，同时会创建Virtio总线，用于挂载最终的设备，比如VirtIONet; PCI代理设备就是一个纽带;
4.2 流程分析
与设备创建相关的三个函数，可以从device_init_func入口跟踪得知：
当Qemu命令通过-device传入参数时，device_init_func会根据参数去查找设备，并最终调用到该设备对应的类初始化函数、对象初始化函数、以及realize函数; 所以，我们的分析就是这三个入口;
4.2.1 class_init
在网卡虚拟化过程中，参数只需要指定PCI代理设备即可，也就是-device virtio-net-pci, netdev=tap0，从而会调用到virtio_net_pci_class_init函数; 由于实现了类的继承关系，在子类初始化之前，需要先调用父类的实现，图中也表明了继承关系以及调用函数顺序; C语言实现继承，也就是将父对象放置在自己结构体的开始位置，图中的颜色能看出来;
4.2.2 instance_init
类初始化结束后，开始对象的创建：
针对Virtio-Net-PCI的实例化比较简单，作为代理，负责将它的后继对象初始化，也就是本文的前端设备Virtio-Net;
4.2.3 realize
realize的调用，比较绕，简单来说，它的类继承关系中存在多个realize的函数指针，最终会从父类开始执行，一直调用到子类，而这些函数指针的初始化在什么时候做的呢?没错，就是在class_init类初始化的时候，进行了赋值，细节不表，结论可靠; 最终的调用关系就如图了;
到目前为止，我们似乎都还没有看到Virtio-Net设备的相关操作，不用着急，已经很接近真相了：
virtio_net_pci_realize函数，会触发virtio_device_realize的调用，该函数是一个通用的virtio设备实现函数，所有的virtio设备都会调用，而我们的前端设备Virtio-Net也是virtio设备; virtio_net_device_realize就到了我们的主角了，它进行了virtio通用的设置(后续在数据通信中再分析)，还创建了一个NetClientState端点，与Tap设备对应，分别指向了对方，惺惺相惜，各自安好; virtio_bus_device_plugged表示设备插入总线时的处理，完成的工作就是按照PCI总线规划，配置各类信息，以便与Guest OS中的virtio驱动交互，后续的文章再分析了;
本文基本捋清了虚拟网卡前端设备和后端设备的创建过程，完成的工作只是绑定了彼此，数据交互以及通知机制，留给后续吧。
参考
《 Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.1》
https://www.redhat.com/en/blog/virtio-devices-and-drivers-overview-headjack-and-phone
