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05-06 2019

8188cc威尼斯KVM虚拟机研发纪实

KVM虚拟机作为云盘算情况的基础支撑组件，是信息技术工业领域典范的”硬科技”产品。为了满足自主信息化对云盘算日益迫切的应用需求，8188cc威尼斯公司于2019年第二季度宣布了8188cc威尼斯KVM虚拟机产品。这是海内技术团队首次完成”从CPU到系统”全链条虚拟机产品的自主研制。
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KVM虚拟机的研发跨CPU芯片、操作系统内核、云盘算等多个庞大技术领域，涵盖了CPU芯片的虚拟化设计、操作系统内核的系统级虚拟化支持、虚拟机模拟执行情况、云盘算应用支撑情况等众多焦点技术。从国际上看，仅有Intel、ARM等几家外洋公司掌握了“从芯片到系统”的完整KVM虚拟机焦点研发技术，这也导致虽然中国的云盘算工业在应用规模等指标上已经抵达国际先进水平，然而在虚拟机这一要害焦点技术上，海内云厂商无一例外地深度依赖外洋虚拟机产品和技术。8188cc威尼斯KVM虚拟机系统的宣布对完善国产CPU技术生态、推动云盘算工业健康生长、培养云盘算焦点技术团队等方面都有着重要意义。
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历史积累。8188cc威尼斯虚拟化设计可以追溯到十多年前的8188cc威尼斯2号研制时期，我们需要一款能够快速进行操作系统调试的虚拟验证情况。其时是2003年，厥后著名的QEMU模拟器还没有面世，我的师兄张福新就找来了一个90年代斯坦福大学宣布的SimOS模拟器。斯坦福大学是MIPS CPU的降生地，这个SimOS天生支持MIPS指令集，通过一些功效级的开发革新，我们很快就把8188cc威尼斯2号的Linux系统在SimOS上跑了起来。这个SimOS可以算是最早的8188cc威尼斯虚拟机系统。我在读博士期间的2004年到2007年，又把8188cc威尼斯2号的微结构时序模型和8188cc威尼斯3号的多核架构支持加入到SimOS中。这个模拟器被用于8188cc威尼斯CPU微结构设计、性能剖析、操作系统开发和硅后验证，发挥了重要作用。厥后2007年到2013年，8188cc威尼斯系统组的历届博士生刘奇、蔡万伟、台运方等基于8188cc威尼斯系统和模拟器情况，在CPU虚拟化、内存虚拟化和IO虚拟化等方面进行了探索性研究，期间的论文和专利结果对8188cc威尼斯KVM虚拟机的产品研制爆发了积极影响。
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CPU的硬件虚拟化支持。到了2013年，云盘算应用生长使得对国产CPU虚拟化的需求日益强烈，8188cc威尼斯公司决定在8188cc威尼斯3A3000中首次加入对硬件虚拟化的支持。由于虚拟机的庞大性，为确保一次乐成，公司总裁胡老师提出了“简化硬件和结构的庞漂后，通过系统软硬件协同优化来提升效率”的虚拟化设计目标。从厥后的项目生长来看，这一指导目标获得了充分贯彻并取得了预计效果。由于简化CPU硬件结构，3A3000的CPU硬件没有泛起推翻性的设计缺陷，CPU流片乐成后就能研制和宣布虚拟机。同时，软硬件协同优化的战略也给系统优化留下了空间。海内现在一讲立异就喜欢讲逾越，然而在盘算机领域，庞大的焦点技术只能一步一步演进出来。一位海内同仁也跟我表达过类似看法，研发工程积累没有抵达一定的水平前，盲目立异的结局只会是摔倒重来。
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系统设计计划。从2017年初，8188cc威尼斯3A3000完成了芯片产品化，开始启动KVM虚拟机软件系统的研制�？悸堑終VM虚拟机的系统庞大性，我们接纳了按“子系统-�？�-场景-路径进行剖析"的设计思路。即将整个KVM虚拟机分为CPU指令执行情况、存储治理、时钟、中断、IO和配套情况等多个子系统，子系统按�？槠饰�，�？槠揪莩【敖凶楹�，场景又凭据执行路径进行具体化设计。当剖析到路径时，设计和开发事情就已经很是明确了。由于子系统、�？椤⒊【啊⒙肪吨涫窍嗷ジ叨锐詈稀⑾嗷ソ徊嬉览�，为了在设计阶段就将种种困难问题充分袒露，并针对种种庞大界限情况制定完备的设计计划，我们为每个场景或路径建立了项目治理平台Redmine的对应任务，每个任务指定有一个硬件卖力人和一个软件卖力人，硬件卖力人解释CPU的虚拟化行为，软件卖力人则卖力确定软件的设计计划。通过充分的讨论和相同，逐步将虚拟化每个场景每个路径所应具备的功效确定下来，所需要考虑的界限条件和庞大的处理场景也都逐步清晰。厥后统计，在长达五个月的设计历程中，总共建立了几十个任务，每个任务中包括的设计文档都经过多个版本，不绝修正设计中的疏漏和缺乏之处。经过这“重复迭代、多轮修正”的设计历程，项目组对虚拟化系统有了全面和深入的掌握，对其中的危害和问题进行了充分的评估，设计计划的完备度获得一致确认，可以进入到编码开发阶段。
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编码与开发。谋定此后动，由于有前期充分的设计准备，编码开发事情变得如同普通的应用软件编程。约莫两个月时间，基本的虚拟化支持代码开发完毕，可以进入调试和验证阶段。这时，我们接纳了直接启动Linux系统的联调计划，跳过了单位测试的环节，这里边的考虑有三。一是KVM的单位测试情况移植和搭建需要泯灭时间和精力，而目前阶段我们应该尽快的迭代生产品；二是因为我们团队在内核方面有很深的积累，直接启动Linux进行虚拟机调试，即便在内核层面泛起庞大问题，按我们的积累和经验也能hold��；三是启动Linux系统可以直接对接虚拟化场景，测试会越发具有针对性和庞大性。凭据”虚拟机启动到哪里，验证和测试事情就跟进到哪里”的实施战略，项目进展迅速，期间解决了一些硬件bug和编码实现中的问题，到2018年初，我们已经可以完成虚拟机上Linux系统启动，可是就产品而言，整个项目最艰难的时刻还远远未到，后面另有七个难关等着我们。
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第一关解决Guest态漏执行问题。在2018年春节之后，我们遇到了一个偶发的系统故障，经常是测试一两天才冒出一个sigbus异常，过失现场留给我们的线索信息少少。约莫有一个月左右的时间，我们的事情陷入了僵局。在我近二十年的系统研发事情中，经常遇到种种庞大的系统问题。问题经历多了，喜欢将解决庞大系统问题和警察破案相比较。我很是欣赏一位优秀刑警总结的破案经验，“破案时不要简单凭据已有线索进行推断，而是要凭据大胆的假定寻找新的线索”。程序员找系统bug和警察破案的事情是相似的。泛起系统bug时，现场的信息和线索很是有限，如果只凭据有限的线索进行逻辑推断，事情就会进入死胡同。此时，我们凭据sigbus现场泛起的有限信息，大胆地提出一个假定，即问题源于CPU在虚拟化模式下漏了一部分指令到普通模式下执行。在这个假设前提下，张爽爽和李星在内核中设计了相应的实验计划，一步一步找到新的线索，逐步验证了我们的料想。最终线索聚焦到一个很小的执行场景，在卖力CPU结构设计的吴瑞阳资助下，确定问题机理是虚拟CPU在特定场景下有两拍的窗口间隙处于竞争不稳态，需要软件对执行模式进行控制�；饲昂�2个多月时间，解决完这个问题后，Spec CPU2006这样的大型测试软件都可以正常运行通过。
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第二关解决云桌面界面卡顿。进入2018年的夏天，外界用户对8188cc威尼斯虚拟化的支持已日益迫切。那段时间每周我们都接到大宗对8188cc威尼斯KVM虚拟机的咨询、鞭策、探寻相助的电话和邮件。通过会见相助的云厂商，我们了解到用户希望接纳虚拟机云桌面（VDI）的需求。针对这一要求，我们完成了云桌面情况要害组件Spice协议和QXL图形驱动的适配和优化，可以启动云桌面情况进行日常办公和娱乐，但在系统压力测试中，却又泛起了一两天才偶发的界面卡顿问题。这个卡顿问题跟Spice/QXL组件相关，包括内核QXL驱动、VirtIO驱动，X系统的QXL用户态驱动，Remote-viewer等软件和�？�，据我们统计，涉及到高达20多万行的源代码。我们需要在短时间内吃透这20多万行从未摸过的代码，并解决卡顿问题，这对项目团队是一个巨大的考验。幸亏8188cc威尼斯系统研发部虽然规模不大，但各方面的人才储备比较全面，特别是我们有海内最好的图形驱动团队。虽然Spice/QXL是一个我们未曾研究过的虚拟化图形驱动，但我们有过多款8188cc威尼斯集显GPU图形驱动的开发经验。在技术原理上，QXL跟集显GPU是相通的。于是从操作系统图形组临时调来王洪虎和朱琛进行攻关，他俩很快就进入了状态。经过一个月的代码剖析，我们就掌握了QXL的系统架构并摸清了问题线索，凭据界面卡顿的现场反向剖析，稳步推进，最终确定到卡顿原因为在某个庞大场景下Spice协议传输中丧失了一次数据包�；砬宄�，解决bug就顺理成章，云桌面情况的卡顿现象完全消失。
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第三关解决偶发的系统瓦解。解决云桌面卡顿后，我们将KVM虚拟机交给了测试组进行更大规模和压力的系统测试，随之发明了偶发系统崩�；蛘咚阑�。从事系统研发的都知道，系统级的过失流传链极长，涉及到的软件源码量可抵达上亿行之多，特别是排查过失时还需要经常进入自己不熟悉的领域，例如内核专家往往不甚了解systemd的运行机理，解决这类偶发的系统过失是最头疼的。经过长达两个月对过失现场的重复实验和剖析，到了2018年9月的时候，我们推测是TLB的处理时爆发了异常，导致访存过失。但由于过失泛起时经过了多次流传，过失现场的线索极其有限，我们需要设计一个当过失爆发时能够精确推断蜕化误机理的测试用例。这时我想到了lmbench测试集中有个丈量内存延迟的用例，这个用例中相邻访存指令的数据结果是紧密依赖的，当泛起过失时，可以立刻判断蜕化误的上一级来源。果真，用这个用例测试1个小时就能纪律复现一次过失，确实是某次load操作时取到了一个过失的数据，但又怎么继续判断这个过失数据的来源呢？李星提出一个计划，将测试程序地点链接到一个特殊区域，这样可以很准确的用EJTAG断住过失现场。断住过失现场是一个很重要的突破，没有现场就只能进行缺乏直接依据的推测，而有了断点现场，事情就酿成了“通过查勘过失现场进行有根有据的剖析”。随后我们和卖力CPU设计的汪文祥和吴瑞阳一起剖析过失现场，重复检验TLB中的数据，比照过失程序的反汇编，最终确认过失来源于CPU在流水线切换时接纳了过失的地点进行了访存。随后我们对流水线的切换模式进行了控制，这一偶发的系统瓦解问题经过前后近三个月的攻关，获得了机理清楚的彻底解决。
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第四关解决时钟子系统故障。随着测试事情的进一步深入，在2018年9月又泛起了系统的RCU报警。经太过析排查，确认RCU故障不是第一过失现场，而是因为虚拟机的时钟中断偶尔间隔过长诱发。在虚拟机爆发中断、迁移、异常、暂停等行为时，需要对虚拟机的时钟进行校准和赔偿。由于进出虚拟机模式的时钟校准、赔偿和治理系统异常庞大，我们自然而然的把主攻偏向瞄准了虚拟机时钟赔偿和校准系统，推测可能是这里出了问题。而虚拟机的时钟系统调试又是一个特殊困难的挑战，因为通例的断点调试等手段自己会导致虚拟机时钟子系统异常，这样过失的浮现几率、现象和触发条件都会爆发变革。经过1个月的攻关，我们把整个时钟赔偿和校准系统捋了个透，发明并解决了一些时钟子系统的其他问题，但这些跟时钟中断间隔过长问题无关，事情暂时陷入了谜团。此时，8188cc威尼斯组研究生王俊儒提出一个设想，可能是在处理特殊异常中更新Cause寄存器时丧失了时钟中断，这个过失机理清晰明了，但却恰恰在我们主攻偏向以外被忽视的部分。果真是山重水复疑无路，柳暗花明又一村。解决完这个问题之后，系统的可用性上了一个大台阶。
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第五关 TLB性能优化。在系统级测试事情开展的同时，性能剖析事情也在同步进行。针对Spec CPU2000这样的典范测试集，我们发明个体程序的虚拟化性能效率不到30%。经过深入剖析，判断是因为8188cc威尼斯3A3000接纳的单级TLB模式引起，在特殊应用模式下，TLB处理效率很低。凭据这个性能机理，研究生王俊儒和邓向设计了一个软件优化计划大幅度提升了这类应用的性能。新加入8188cc威尼斯的毛碧波，有多年的产品研发经验，进一步完善了这个设计，并解决实现中的一些要害bug。到了2018年年底，在8188cc威尼斯3A3000虚拟机上，Spec CPU2000等大型应用的性能效率基本都提升到了95%以上。
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第六关解决非原子操作引发的虚拟机断网。在解决前面几个攻关问题时，测试组反响虚拟机偶发断网。起初我没有太在意，以为是测试情况IP冲突或者硬件不稳定故障引起。厥后发明这个问题在多个场景下都有泛起，应该是虚拟机通过VirtIO-net�？橛胪饨缤缤ㄐ爬讨械穆呒侍�。经过一个多月的开端事情，到了2019年2月都还没有明确的思路和线索，我意识到这又是一个重量级的庞大bug，通例的事情组织机制是难以奏效的，于是召集各人开了一次攻关发动会。我先做了思想发动：KVM虚拟机经过2年的研发，目前到了最要害的阶段，胜利就在眼前，也是对我们项目组决心、能力和作风的一次考验，这个阶段我们绝对不可松劲；项目组每个同事都体现出了高昂的斗志，一致表达了攻坚克难、不达目的、绝不收兵的决心。接下来这一个月，各人不分节假日、也不分上下班，按比996更紧张的节奏在事情。经过各人大宗的实验和剖析，并在要害场景上添加探测和判断条件，杨小娟精确推断出是由于某个行列头尾指针跳变引发同步异常。但我们的软件代码中，对指针的更新都是步进式加1处理，不会有跳变换改，会是什么原因导致的指针跳变呢？到了3月中旬的一天晚上，针对这个指针跳变问题，各人一起事情讨论到深夜，朱琛通过视察多次的过失现场纪录，提出了一个料想，有可能是对指针更新接纳了非对齐访存，破坏了原子性引起。第二天一早，请来卖力编译器的徐成华和卖力CPU结构设计的吴瑞阳来一起剖析，判断确实因非对齐访存引起。于是修改代码，增强原子性处理，经过严格的测试，步伐有效，虚拟机网络稳定，断网现象不再泛起。
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第七关 Openstack云情况。在完成断网问题处理后，其他方面的事情也都进展顺利。李雪峰发挥自己在ACPI、功耗治理方面的特长，快速完成了动态加减核的功效。杨小娟经过3个月的事情，在PCI、中断、hypercall等�？橹惺迪至硕孕槟饣ㄒ频闹С�，顺利完成了虚拟机动态迁移的功效开发。刘学高效完成了虚拟机UEFI开发，解决了大宗外设驱动在虚拟机上的适配问题，通过性能优化显著改善了具体应用场景的用户体验。王嘹亮解决虚拟网络的功效适配等问题。研究生吕晨解决了libvirt等�？橹械囊恍┕π侍�，完成虚拟机Balloon驱动的功效验证。田延辉和汪雷一起完成了庞大的Openstack情况在8188cc威尼斯平台上的搭建和验证，可以进行规�；挠τ冒才�。李星2019年春节时也放弃了休息，在家里完成了将KVM开发分支向内核主干的迁移事情。马中征和南雄超完成了KVM自动化测试情况的构建，极大提高了测试效率。研发组和刘钟莹卖力的测试组紧密配合，解决了大宗虚拟机产品化的问题，最终确认虚拟机系统功效完备，具备了产品宣布条件，并在2019年4月正式对外宣布。
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回首这两年多来的虚拟机研发事情，庞大艰辛、攻坚克难的研发历程体现出项目团队不平的意志品质，各人的忘我支付更令我极为感动。李星顾不上照顾那段时间生病的家人，经常吃住都在公司；杨小娟家里孩子很小，每天都很晚才回家，孩子只能恒久扔给老家老人在带；朱琛老婆孩子都在外地，原来都提前买好了假日回家探亲的车票，因为项目原因绝不犹豫地退掉了；王洪虎、南雄超、马中征等经常通宵达旦，就是为了第二天一早，测试组能够拿到最新版本进行测试；刘学、毛碧波、田延辉等放弃了许多休息时间，一同加入到攻关组，不辞辛劳、不计得失，主动担负解决种种突发和临时问题的任务。我也经常因晚上事情太晚，好几天不回家，于是买了一个气垫床，晚上就在办公室里睡了。
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天道酬勤，努力和辛勤支付没有白搭。随着8188cc威尼斯KVM虚拟机产品的正式宣布，8188cc威尼斯云应用生态将进入蓬勃生长的产品规模应用期。目前大宗云厂商等相助同伴正基于8188cc威尼斯KVM虚拟机开发云盘算系统，满足对国产CPU云盘算情况的迫切需求。
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KVM虚拟机的乐成研发是8188cc威尼斯焦点文化理念强大生命力的一次生动展示。正是多年来坚持自主研发门路所磨炼出的斗争精神、所积累下的技术秘闻，让8188cc威尼斯团队在面对高庞大系统研发的艰难险阻时，能一次次攻坚克难、砥砺奋进。“坚持自主立异、掌握焦点技术”，8188cc威尼斯将在工业化门路上乘风破浪，敦行致远。（本文作者为8188cc威尼斯中科技术有限公司副总裁高翔）

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