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virtio是一种实践出来的技术，并且最终标准化，virtio是一种通用的虚拟化设备模拟标准，得到了大部分guest操作系统和hypervisor的支持，方便guest操作系统和hypervisor之间任意互相匹配。virtio出现之前hypervisor各有各的IO设备模拟方案，并在guest操作系统中大量合入驱动代码，导致一片混乱，后来xen中出来了部分virtio思想，在kvm中实现并且发扬光大，发表了论文《virtio: Towards a De-Facto Standard For Virtual I/O Devices》，论文促使virtio形成了正式标准。virtio标准最早是0.9.5版本(Virtio PCI Card Specification Version 0.9.5)，于2012年形成了draft，并没有正式发布，继续发展，2016年发布了1.0版本(Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.0)，2019年发布了1.1版本(Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.1)。
virtio详细介绍
virtio分为driver和device，driver部分运行于guest操作系统中，device部分运行于hypervisor中，driver和device是生产者和消费者模式动作，driver生产内存，device消费内存。不同virtio版本之间是互相兼容的，driver和device版本不同也可以互相运转。
基本要素
device status field
driver发现了device，driver可以正常驱动device，driver或者device出错了，driver或者device要进行reset。
device feature bit
driver和device协商feature以便于不同virtio版本之间兼容。
notification
driver和device互通通知对方，driver生产好的内存要通知device去消费，device消费完了要通知driver回收内存。
driver通知deivce用doorbell机制，在kvm中是写寄存器，kvm进行拦截再通知vhost。
device通知driver用中断机制，在kvm中是中断注入。
config space
典型的如virtio-net-device的MAC地址/MTU/最大支持队列数等。
virtqueue
每个virtqueue分成这三部分，descriptor/available/used，descriptor/available/used就是三个大数组，descriptor数组内容存放真正东西，available和used数组内容存放descriptor数组的下标。driver生产内存，把生产的内存地址和长度写在descriptor，然后把descriptor数据下标写到available数组中，通知device，device消费内存，消费完再把descriptor的数据下标定到used数组中，通知driver进行内存回收。
chained descriptor，几个desciptor项连在一起，适用于scater-gather。
indirect descriptor，主descriptor中一项指向另一个descriptor数组。
一般设备的virtqueue基本可以分三类rx virtqueue/tx virtqueue/ctrl virtqueue，rx virtqueue和tx virtqueue用于进行IO，driver通过ctrl virtqueue控制device。
/* Virtio ring descriptors: 16 bytes. These can chain together via "next". */
struct vring_desc {
/* Address (guest-physical). */
__virtio64 addr;
/* Length. */
__virtio32 len;
/* The flags as indicated above. */
__virtio16 flags;
/* We chain unused descriptors via this, too */
__virtio16 next;
};
struct vring_avail {
__virtio16 flags;
__virtio16 idx;
__virtio16 ring[];
};
/* uint32_t is used here for ids for padding reasons. */
struct vring_used_elem {
/* Index of start of used descriptor chain. */
__virtio32 id;
/* Total length of the descriptor chain which was used (written to) */
__virtio32 len;
};
typedef struct vring_used_elem __attribute__((aligned(VRING_USED_ALIGN_SIZE)))
vring_used_elem_t;
struct vring_used {
__virtio16 flags;
__virtio16 idx;
vring_used_elem_t ring[];
};used和avaible不一样是因为rx时，device给driver写数据，device写多少长度数据要给driver反回去。
初始化
device准备，driver发现device，状态更新和feature协商，driver分配virtqueue，把virtqueue地址告诉device。
承载
首先virtio设备是IO设备，IO设备得以某种方式和CPU内存联结在一起，IO设备还得以某种方式和内存交互数据，IO设备还得提供一种机制让CPU控制IO设备。
virtio标准中有三种承载机制，分别是pci,mmio和channel i/o，pci是最通用的计算机bus，qemu和kvm能很好的模拟pci bus，mmio主要用于嵌入式设备，这些设备没有pci bus，channel i/o用于一些IBM机器，很少见。这里以最常见的pci来说，它的作用就是让driver正常发现device，让driver有方法控制device，如写pci配置空间，写pci bar空间。
typedef struct VirtIOPCIRegion {
MemoryRegion mr;
uint32_t offset;
uint32_t size;
uint32_t type;
} VirtIOPCIRegion;
typedef struct VirtIOPCIQueue {
uint16_t num;
bool enabled;
uint32_t desc[2];
uint32_t avail[2];
uint32_t used[2];
} VirtIOPCIQueue;
struct VirtIOPCIProxy {
PCIDevice pci_dev;
MemoryRegion bar;
union {
struct {
VirtIOPCIRegion common;
VirtIOPCIRegion isr;
VirtIOPCIRegion device;
VirtIOPCIRegion notify;
VirtIOPCIRegion notify_pio;
};
VirtIOPCIRegion regs[5];
};
MemoryRegion modern_bar;
MemoryRegion io_bar;
uint32_t legacy_io_bar_idx;
uint32_t msix_bar_idx;
uint32_t modern_io_bar_idx;
uint32_t modern_mem_bar_idx;
int config_cap;
uint32_t flags;
bool disable_modern;
bool ignore_backend_features;
OnOffAuto disable_legacy;
uint32_t class_code;
uint32_t nvectors;
uint32_t dfselect;
uint32_t gfselect;
uint32_t guest_features[2];
VirtIOPCIQueue vqs[VIRTIO_QUEUE_MAX];
VirtIOIRQFD *vector_irqfd;
int nvqs_with_notifiers;
VirtioBusState bus;
};VirtIOPCIProxy存储virtio信息，kvm给guest注册了很多memory region，driver写这些memory region，kvm拦截，把写的值放在VirtIOPCIProxy中。
static void virtio_pci_modern_regions_init(VirtIOPCIProxy *proxy,
const char *vdev_name)
{
static const MemoryRegionOps common_ops = {
.read = virtio_pci_common_read,
.write = virtio_pci_common_write,
.impl = {
.min_access_size = 1,
.max_access_size = 4,
},
.endianness = DEVICE_LITTLE_ENDIAN,
};
g_string_printf(name, "virtio-pci-common-%s", vdev_name);
memory_region_init_io(&proxy->common.mr, OBJECT(proxy),
&common_ops,
proxy,
name->str,
proxy->common.size);
}
static void virtio_pci_common_write(void *opaque, hwaddr addr,
uint64_t val, unsigned size)
{
VirtIOPCIProxy *proxy = opaque;
VirtIODevice *vdev = virtio_bus_get_device(&proxy->bus);
switch (addr) {
case VIRTIO_PCI_COMMON_DFSELECT:
proxy->dfselect = val;
break;
case VIRTIO_PCI_COMMON_GFSELECT:
proxy->gfselect = val;
break;
default:
break;
}
}设备分类
virtio分为很多设备类型virtio-net/virtio-blk/virtio-scsi等等，virtqueue实现通用部分，每种设备再实现具体功能部分，可以扩展feature部分，在virtqueue传输的数据中定义自己功能相关标准等。
举例分析
以qemu中实现的virtio-net-pci举例来说
首先它是一个virtio-net类型设备，其次它承载在pci上，所以VirtIONetPCI就把两者结合起来了。
struct VirtIONetPCI {
VirtIOPCIProxy parent_obj;
VirtIONet vdev;
};virtqueue实现了数据共享，它并不关心到底是网络还是存储数据，所以要在它的buf最前面加上设备类型自己的元数据头，virtio-net-pci用了virtio_net_hdr。
/* This header comes first in the scatter-gather list.
* For legacy virtio, if VIRTIO_F_ANY_LAYOUT is not negotiated, it must
* be the first element of the scatter-gather list. If you don't
* specify GSO or CSUM features, you can simply ignore the header. */
struct virtio_net_hdr {
/* See VIRTIO_NET_HDR_F_* */
uint8_t flags;
/* See VIRTIO_NET_HDR_GSO_* */
uint8_t gso_type;
__virtio16 hdr_len; /* Ethernet + IP + tcp/udp hdrs */
__virtio16 gso_size; /* Bytes to append to hdr_len per frame */
__virtio16 csum_start; /* Position to start checksumming from */
__virtio16 csum_offset; /* Offset after that to place checksum */
};再看virtio-net-pci ctrl virtqueue传输的数据内容，基本就是打开网卡混杂模式/修改MAC/virtqueue个数/配置rss/配置offload等。
/*
* Control virtqueue data structures
*
* The control virtqueue expects a header in the first sg entry
* and an ack/status response in the last entry. Data for the
* command goes in between.
*/
struct virtio_net_ctrl_hdr {
uint8_t class;
uint8_t cmd;
} QEMU_PACKED;virtio1.1新功能
virtio 1.0存在的问题第一是性能不高，第二是硬件不太好实现。
driver和device运行在不同的cpu，driver和device共享内存，存在不同cpu之间互相通知进行cache刷新的问题，virtio1.0 virtqueue分成三个数组，三个数组分布在不同的cacheline上需要多次cache刷新，所以virtio 1.1引入了packed ring，把virtio 1.0中的三个数组合并成一个，这样大大减少了cache刷新的次数。具体做法就是packed virtqueue把available和used当成descriptor中flag字段两个bit，driver本地存放一个driver_local_bit，把available_bit=driver_local_bit和used_bit=!driver_local_bit，device本地存放一个device_local_bit，消费完内存后used_bit=device_local_bit。
通知是有开销的，virtio1.1 batch和in-order减少driver和device互相通知对方的次数，batch就是driver一次多生产几块内存，再通知device，in-order就是device按driver生产内存的顺序消费内存，消费完后只通知driver最后一块内存可以回收了，因为严格按顺序消费的，driver由此可知前面的内存也已经消费完了。
struct vring_packed_desc {
/* Buffer Address. */
uint64_t addr;
/* Buffer Length. */
uint32_t len;
/* Buffer ID. */
uint16_t id;
/* The flags depending on descriptor type. */
uint16_t flags;
};硬件实现也一样，driver写descriptor发现一次pci传输，写available数组又要发现一次pci传输，如果把descriptor和available数组合并只要一次pci传输即可。
实现情况
linux 4.18 virtio-net driver已经能支持virtio 1.1了，但vhost-net不支持virtio 1.1。
qemu master实现了virtio 1.1。
dpdk virtio pmd和vhost-user都支持virtio 1.1。
总结
virtio标准还会继续发展，功能会越来越多，设备类型会越来越多，如virtio GPU和virtio vIOMMU，GPU最难虚拟化，目前用的是mdev，没有IOMMU，virtio设备可以修改任意guest内存，有vIOMMU更安全，vIOMMU也可以用vt-d实现，virtio device emulation可以在qemu/kernel/dpdk中实现，virtio技术百花齐放，创新不断，是做虚拟化必须研究的技术。总结virtio的目标就是统一IO设备，虚拟机看到的所有的外设都是virtio类型，只需要安装virtio类型的驱动即可，如果硬件也能实现virtio，那么裸金属也一样了，虚拟机和裸金属互相热迁移，一个镜像走天下。
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