QEMU如何实现虚拟机关机和重启
时间：2023-06-30 11:00:01 | 来源：网站运营
时间：2023-06-30 11:00:01 来源：网站运营
QEMU如何实现虚拟机关机和重启：
1. 概述
突然发现，QEMU的hmp命令中，只有关机（system_powerdown）和整个系统复位（system_reset，直接虚拟机硬件复位）的命令，并没有虚拟机重启的命令。那QEMU是如何区分和实现虚拟机系统的关机和重启操作的呢？如果再将操作的来源（虚拟机内、虚拟机外）考虑在内，则可以将这个问题拆分成四个问题问题：
- 虚拟机内关机操作的实现
- 虚拟机外关机操作的实现
- 虚拟机内重启操作的实现
- 虚拟机外重启操作的实现
对于计算机电源方面的操作，其实可以有多种实现方式，目前主流的操作系统，如Windows、Linux，基本上都是支持基于ACPI机制实现的，以下的介绍也都是基于ACPI机制。并且，可以通过QEMU的qmp事件来获取QEMU发生的一些事件，查看到虚拟机的行为。
2. ACPI电源管理机制
ACPI标准中，会对系统的各种电源状态定义成Sx状态，如正常工作为S0，Win10的休眠对应S4，关机对应S5等。并且在提交给OS的ACPI表中，会定义System State Package，告知OS需要往PM1a/b_CNT.SLP_TYPE控制寄存器写入什么样的数值让系统进入对应的Sx状态。
如，在虚拟机的ACPI表的DSDT子表中，找到如下S5 Package State的定义，即表示需要为PM1a/b_CNT.SLP_TYPE中写入0，让系统进入S5（Soft Off）状态，也就是咱们正常说的关机状态。
3. 虚拟机内关机操作的实现
当在Win10虚拟机内点击Windows菜单中带的关机按钮后，当Windows关闭完各种程序后，在虚拟机关闭的瞬间，QEMU会收到SHUTDOWN事件，并且geust为True表示该关机操作是由Guest OS发起的。
查看QEMU源码，可以发现，
当虚拟机向PM1 Control Register的Sleep Type和Enable寄存器写的时候，如果Type为soft power off即S5，就会触发关机操作，即发出shutdown请求。
QEMU主线程在收到shutdown reqeust的请求后，会发送SHUTDOWN事件，然后qemu进程退出，完成虚拟机的关机操作。
4. 虚拟机外关机操作的实现
QEMU虚拟机外的关机操作是通过hmp的system_powerdown命令实现的，libvirt的virsh shutdown命令也是通过发送system_powerdown命令实现的。
和虚拟机内触发关机操作类似，只是关机操作的触发源不一样，system_powerdown模拟的是电源键按下的操作。
hmp_system_powerdown -> qmp_system_powerdown -> qemu_system_powerdown_request
main_loop_should_exit在检测到powerdown请求的时候，调用qemu_system_powerdown()
qapi_event_send_poerdown发出POWERDOWN事件。
ICH9初始化（ich9_pm_init）的时候，会注册一个powerdown notifier，即pm_powerdown_req
该notifier会模拟电源键按下产生ACPI SCI中断，OS在收到这个中断的时候，就会做出相应的处理。默认情况下，Windows的操作就是关机。
但是如果将WIndows系统中电源按钮的的动作设置为不采取任何动作，即检测到电源键按下后，不做任何操作，则hmp的system_powerdown命令或者libvirt的virsh shutdown命令将被Windows忽略，不做任何操作。
5. 虚拟机内重启操作的实现
对于支持ACPI电源管理的虚拟机（Guest OS）而言，虚拟机内触发的系统重启也是优先通过ACPI机制实现的。查看Linux内核源码reboot命令的实现，可以看到最后执行对硬件执行reset的时候，会优先选择FADT提供的reset register。
以Q35主板为例，Q35主板的南桥芯片ICH9带有reset控制逻辑单元，即lpc-reset-control，用于reset整个系统或者是CPU，当虚拟机往这边写的时候，会触发相应的reset操作。
对应的Reset寄存器定义如下所示：
当往RST_CPU比特位写1的时候，就会触发qemu_system_reset_request()。
在ACPI标准中，也有对Reset Register进行定义：
前面说的ICH9中的lpc-reset-control就是Reset Register的一种具体实现。
ACPI大表中FADT（签名为FACP）表的Offset 116起的12个字节的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是否有实现。
其中RESET_REG字段包含的GAS（Generic Address Structure）的定义如下所示：
- Address Space ID为地址空间ID，对于RESET_REG而言，该寄存器只能映射到I/O地址空间，PCI配置空间或者系统内存空间。
- Register Bit Width，对于RESET_REG而言，固定为8比特。
- Register Bit Offset，对于RESET_REG而言，固定为0
- Access Size表示访问的对其要求。
- Address为给定地址空间的具体地址。
以Q35主板为例，在虚拟机内，通过RW Everything可以看到ACPI表中，FACP表中的Flags标记中，RESET_REG_SUP为1，标志系统支持RESET_REG寄存器。
并且reset register的地址为I/O port 0xCF9，并且reset value为0x0F，即往里面些0x0F后，系统会reset。
Guest OS根据这些信息，在执行系统重启的最后阶段（即OS已经保存好状态，为最后主要硬件的reset做好准备），就会将reset value的值写到reset register中，触发主板硬件执行reset操作。
根据前面的代码，QEMU在实现ICH9中的Reset寄存器的时候，当往Reset寄存器写的时候，就会触发reset请求（qemu_system_reset_request()），执行qemu_system_reset，并发出RESET事件。
在虚拟机的hmp通道中就可以看到RESET事件，并且guest为Ture，说明是Guest OS主动触发的reset操作。
6. 虚拟机外重启操作的实现
对于QEMU的qmp/hmp通道而言，是没有虚拟机重启的命令的，只有硬件重启（system_reset）命令，但是在libvirt端却有虚拟机重启的virsh reboot命令，那virsh reboot是如何实现的呢？
virsh reboot重启虚拟机是模拟按电源键触发Windows关机 ，即POWERDOWN事件，然后Windows关机，触发SHUTDOWN事件（guest为true）。Windows关机后，qemu进程不退出，然后由libvirt触发RESET事件（guest为false），触发虚拟机硬件reset，让虚拟机重新启动。
所以virsh reboot实际上是通过虚拟机关机，qemu进程不退出、虚拟机系统硬件reset的操作来实现的，对Guest来说其实就是关机再开机，并不是真正的重启。
如果Guest OS针对用户发起的关机和重启操作执行的关机过程有所区别的话，virsh reboot操作其实就无法实现Guest OS的重启操作。以Win10 Guest OS为例，若Win10开启了快速启动，在Windows的关机过程中，Windows的内核其实是进行了休眠而不是关闭，所以系统重启后，会发现，Windows的内核运行时间并没有清零，而是累加了上次关机前的运行时间。
7. 总结
综上所述，QEMU的虚拟机内关机是通过模拟ACPI电源控制寄存器（PM1a/b_CNT）实现的，虚拟机外的关机则是通过模拟电源按键实现的。虚拟机内的重启操作，是通过模拟Reset控制寄存器实现的。但是，虚拟机外重启操作并没有直接的模拟，主要是因为Guest OS对外并没有重启操作的接口，并且重启操作过程中，Guest OS是需要保存自己的软件状态的，什么时候执行底层的硬件reset操作，QEMU本身并不知道（Guest OS）并不会提前告知硬件，或者对外发出事件。所以虚拟机外并没有真正的重启操作命令，而是通过虚拟机关机、再启动实现的，这时候就需要具体的管理程序，如libvirt，对虚拟机的关机、启动的过程进行跟踪和监控，并且这种实现方式在少数场景（如Win10开启了快速启动）将不适用。
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