VFIO框架源码分析（四）- VFIO-MDEV设备虚拟化的新篇章

引言与整体框架

我们之前讨论的 vfio-pci 实现了设备的物理直通，它功能强大但存在一个核心限制：独占性。一个物理设备一旦被分配给一个虚拟机，其他虚拟机或宿主机便无法再使用它。为了解决这一问题，内核引入了MDEV（Mediated Device）框架。MDEV 是一种设备虚拟化技术，允许一个物理设备（Parent Device）被“分割”成多个独立的虚拟设备（Mediated Devices），这些虚拟设备可以被独立地分配给不同的虚拟机，从而实现单张物理卡（如GPU、FPGA）的多用户共享。

vfio-mdev 模块正是连接通用 MDEV 框架与 VFIO 体系的桥梁。本文将深入解析MDEV的核心机制以及 vfio-mdev 驱动如何将一个被虚拟出来的 mdev 设备封装成标准的 vfio_device，最终呈现给用户空间。

核心分析：MDEV框架与VFIO驱动的双层结构

vfio-mdev 的实现依赖于两个协同工作的核心组件：通用的 MDEV 框架和专用的 vfio-mdev 驱动。

1. MDEV核心框架 (mdev_init): 此框架独立于VFIO，提供了一套通用的、用于创建和管理虚拟设备的基础设施。它的初始化过程主要完成：
   • 注册MDEV总线 (mdev_bus_register): 创建一个名为 mdev 的新总线类型。所有通过 MDEV 框架创建的虚拟设备都将挂载在这条总线上。
   • 注册VFIO的MDEV驱动 (mdev_register_driver): 将 vfio_mdev_driver 注册到内核中。这个驱动的作用就是等待并绑定到任何出现在 mdev 总线上的新设备。

2. 物理设备驱动的集成 (mdev_register_device): MDEV 框架本身不创造虚拟设备，它需要物理设备驱动（如Intel的 i915 GVT-g驱动）主动注册其虚拟化的能力。
   • 物理驱动调用 mdev_register_device 来声明它支持创建 mdev。
   • 这一调用会通过 parent_create_sysfs_files 在该物理设备的 sysfs 目录下创建 mdev_supported_types 目录。
   • 目录下包含了该物理设备支持创建的 mdev 类型（例如 i915-GVTg_V5_4），每种类型下都有一个名为 create 的 sysfs 属性文件。用户空间正是通过向这个create文件写入一个UUID来动态创建一个mdev实例。

分步详解：从Sysfs创建到VFIO设备

第一步：MDEV设备的诞生 (create_store)

当用户在 sysfs 中向特定类型的 create 文件写入一个UUID时，内核会调用其回调函数 create_store。

• create_store 内部调用 mdev_device_create。
• mdev_device_create 函数会：
  1. 调用物理设备驱动提供的 .create 回调函数，由物理驱动负责分配和初始化代表虚拟设备的内部数据结构。
  2. 创建一个标准的 device 结构体，并将其注册到前文提到的 mdev 总线上。

第二步：VFIO驱动的探测与绑定 (vfio_mdev_probe)

一旦新的 mdev 设备出现在 mdev 总线上，总线核心会自动为其寻找匹配的驱动。由于 vfio_mdev_driver 是注册在该总线上的驱动，其 .probe 函数 vfio_mdev_probe 将被执行。

• vfio_mdev_probe 是连接 MDEV 和 VFIO 的关键枢纽。
• 它调用 vfio_init_group_dev，这是一个我们熟悉的函数（在vfio-pci分析中也见过），它的作用是为这个 mdev 设备创建一个对应的 vfio_group_dev（即vfio_device）。
• 在初始化过程中，它将 vfio_mdev_dev_ops 这套操作函数集与新创建的 vfio_device 关联起来。
• 这一步的逻辑与物理设备被 vfio-pci 绑定时的流程高度相似，最终都产出了一个标准的、可被VFIO核心层管理的 vfio_device。

第三步：代理模式 (vfio_mdev_dev_ops)

vfio_mdev_dev_ops 的实现揭示了 vfio-mdev 模块设计的精髓——代理模式（Proxy Pattern）。vfio-mdev 自身不实现任何复杂的设备访问逻辑，它只是一个“中间人”或“转发器”。

当用户空间对最终获得的 vfio_device fd进行 open, read, write, ioctl 等操作时，会触发 vfio_mdev_dev_ops 中对应的函数：

• 例如，调用 vfio_mdev_open_device 时，它会首先从 vfio_device 找到其背后的 mdev 设备，再通过 mdev 找到创建它的物理设备驱动（parent）。
• 然后，它直接调用 parent->ops->open_device，将操作请求原封不动地转发给物理设备驱动。
• 对于 read, write, ioctl 等所有其他操作，vfio-mdev 都采用完全相同的模式进行转发。

这意味着，所有关于设备资源虚拟化、多用户隔离、状态保存与恢复等复杂工作，全部由底层的物理设备驱动（如 i915, nvidia）来完成。vfio-mdev 只负责提供标准的VFIO接口封装。

总结

MDEV 框架与 vfio-mdev 驱动共同构建了一个优雅、解耦的设备虚拟化体系：

1. 通用框架层 (MDEV): 提供了一套标准的、通过 sysfs 创建和管理虚拟设备的机制，与具体总线和驱动无关。
2. 能力提供层 (物理驱动): 真正的物理设备驱动（如Intel GVT-g）负责实现资源切分和虚拟化的核心逻辑，并通过 mdev_register_device 向 MDEV 框架“宣告”自己的能力。
3. VFIO适配层 (vfio-mdev): 作为一个“胶水”驱动，它自动探测由用户创建的 mdev 实例，将其无缝地包装成一个标准的 vfio_device，并以代理模式将所有设备操作请求转发给底层的物理驱动。

这种分层设计极大地简化了设备虚拟化的集成工作。任何硬件厂商只要实现其物理驱动对 MDEV 接口的支持，就能立即利用 vfio-mdev 模块，将其设备共享能力接入到成熟、健壮的VFIO生态中，供QEMU等用户空间程序使用。

关于作者

大家好，我是宝爷，浙大本科、前华为工程师、现某芯片公司系统架构负责人，关注个人成长。

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