浅析 Qemu 热迁移特性——Multifd
本文面向对 Qemu 热迁移有一定了解的读者。
Multifd 是什么
Multifd 是 Qemu 热迁移的一个新特性,直到 2018 年 6 月底才完全进入 upstream,目前还不是十分稳定。其本质是通过热迁移时使用多个 fd,将原本 RAM 的串行发送接收变成了并行的发送接收。
Multifd 解决了什么问题
Qemu 默认只使用单个 fd 进行热迁移。这会带来三个问题:
- 接收端的 CPU 在 10Gigabit 或以上的网络会变成瓶颈
- 虽然可以直接发送迁移相关的页,单 fd 情况下下会先将它们拷贝一遍再发送
- 由于发送和接收很麻烦,使透明大页更难使用
为了解决这些问题,Multifd 使用了多个 fd 进行迁移。主 fd 进行控制信息的发送,其他 fd 负责页的发送,避免了不必要的拷贝。
Multifd 的设计原理
当使用单 fd 进行迁移时,迁移流的样式是这样的:
- migration stream
[page header1][4k page 1][page header2][4k page 2]...
当我们通过 Multifd 新增 fd 进行迁移时, 在原本的迁移流之外还增加了其他迁移流。迁移流的样式是这样的:
- migration stream
[page header1][page header 2]...
additional fd
[4k page 1][4k page 2]...
因此,这种设计使得:
- 不需要在发送和接收时进行拷贝,而是可以直接发送和接收
- 无需修改 migration stream,只是将 pages 通过侧信道进行传递
- Huge page 可以像普通页一样直接发送和接收,使透明大页的使用更容易
Multifd 的使用
在 Qemu中,Multifd 特性有两个参数:
- x-multifd-channels:使用的 Multifd 通道数,默认是 2 ( 不包含主 fd )
- x-multifd-page-count:每个发送/接收线程每次发送/接收的页数,默认是 16
以上两个参数均可以在迁移前在 Qemu Monitor 中通过 migrate_set_parameter parameter value
的方式进行设置。需要注意的是,源端和目的端的两个参数的值需要保持一致。
之外,在开始热迁移前,需要通过 migrate_set_capability x-multifd on
在源端和目的端都开启 x-multifd 特性。在目前版本中,任何一端 x-multifd 特性没有开启都会导致迁移失败。
Multifd 的实现浅析
以 Qemu 3.1.0-rc5 代码为例。由于目的端原理与源端类似,因此本节只对源端的关键代码进行走读。
QIOChannel
Multifd 的数据传输基于 QIOChannel,其源于 GIOChannel,但是也有其特殊性。从相关注释中可以看到 QIOChannel 支持向量 IO 的使用。
/*** QIOChannel:** The QIOChannel defines the core API for a generic I/O channel* class hierarchy. It is inspired by GIOChannel, but has the* following differences** - Use QOM to properly support arbitrary subclassing* - Support use of iovecs for efficient I/O with multiple blocks* - None of the character set translation, binary data exclusively* - Direct support for QEMU Error object reporting* - File descriptor passing** This base class is abstract so cannot be instantiated. There* will be subclasses for dealing with sockets, files, and higher* level protocols such as TLS, WebSocket, etc.*/
热迁移流程
对于热迁移流程,我们可以把它抽象成以下几个阶段:
migrate_fd_connect
- migration_thread
- qemu_savevm_state_setup 进行所有系统的初始化
- ram_save_setup 内存的初始化函数
- migration_iteration_run 进行迁移
- qemu_savevm_state_pending 进行迁移数据的计算,之后作为是否迭代的判断
- qemu_savevm_state_iterate 进行迁移的迭代操作
- ram_save_iterate 内存的迭代函数
- migration_completion 在只剩期望downtime可传输的数据量时进行最后的停机迁移
- qemu_savevm_state_complete_precopy 对于precopy,会走这个流程
- ram_save_complete 内存的最终结束迁移函数
- qemu_savevm_state_complete_precopy 对于precopy,会走这个流程
- migration_iteration_finish 最后的收尾工作
- qemu_savevm_state_setup 进行所有系统的初始化
Multifd 的关键数据结构
以下数据结构供读者在阅读后文代码时查阅:
typedef struct {uint32_t magic;uint32_t version;unsigned char uuid[16]; /* QemuUUID */uint8_t id;} __attribute__((packed)) MultiFDInit_t;typedef struct {uint32_t magic;uint32_t version;uint32_t flags;uint32_t size;uint32_t used;uint64_t packet_num;char ramblock[256];uint64_t offset[];} __attribute__((packed)) MultiFDPacket_t;typedef struct {/* number of used pages */uint32_t used;/* number of allocated pages */uint32_t allocated;/* global number of generated multifd packets */uint64_t packet_num;/* offset of each page */ram_addr_t *offset;/* pointer to each page */struct iovec *iov;RAMBlock *block;} MultiFDPages_t;typedef struct {/* this fields are not changed once the thread is created *//* channel number */uint8_t id;/* channel thread name */char *name;/* channel thread id */QemuThread thread;/* communication channel */QIOChannel *c;/* sem where to wait for more work */QemuSemaphore sem;/* this mutex protects the following parameters */QemuMutex mutex;/* is this channel thread running */bool running;/* should this thread finish */bool quit;/* thread has work to do */int pending_job;/* array of pages to sent */MultiFDPages_t *pages;/* packet allocated len */uint32_t packet_len;/* pointer to the packet */MultiFDPacket_t *packet;/* multifd flags for each packet */uint32_t flags;/* global number of generated multifd packets */uint64_t packet_num;/* thread local variables *//* packets sent through this channel */uint64_t num_packets;/* pages sent through this channel */uint64_t num_pages;/* syncs main thread and channels */QemuSemaphore sem_sync;} MultiFDSendParams;struct {MultiFDSendParams *params;/* number of created threads */int count;/* array of pages to sent */MultiFDPages_t *pages;/* syncs main thread and channels */QemuSemaphore sem_sync;/* global number of generated multifd packets */uint64_t packet_num;/* send channels ready */QemuSemaphore channels_ready;} *multifd_send_state;
Multifd 代码浅析
下面我们以热迁移流程的顺序对 Multifd 的执行过程进行梳理:
migrate_fd_connect
- multifd_save_setup
ram_save_setup
- multifd_send_sync_main
ram_save_iterate
- ram_find_and_save_block
- multifd_send_sync_main
ram_save_complete
- ram_find_and_save_block
- multifd_send_sync_main
其中:
ram_find_and_save_block: finds a dirty page and sends it to f
- ram_save_host_page: save a whole host page
- ram_save_target_page: save one target page
- ram_save_multifd_page
- multifd_queue_page
- multifd_send_pages
- multifd_queue_page
- ram_save_multifd_page
- ram_save_target_page: save one target page
具体函数
想直接了解整个流程的同学可以先对最后一节进行阅读,再回来进行具体函数的阅读。
multifd_save_setup
int multifd_save_setup(void){int thread_count;uint32_t page_count = migrate_multifd_page_count();uint8_t i;if (!migrate_use_multifd()) {return 0;}thread_count = migrate_multifd_channels();multifd_send_state = g_malloc0(sizeof(*multifd_send_state));multifd_send_state->params = g_new0(MultiFDSendParams, thread_count);atomic_set(&multifd_send_state->count, 0);multifd_send_state->pages = multifd_pages_init(page_count);qemu_sem_init(&multifd_send_state->sem_sync, 0);qemu_sem_init(&multifd_send_state->channels_ready, 0);for (i = 0; i < thread_count; i++) {MultiFDSendParams *p = &multifd_send_state->params[i];qemu_mutex_init(&p->mutex);qemu_sem_init(&p->sem, 0);qemu_sem_init(&p->sem_sync, 0);p->quit = false;p->pending_job = 0;p->id = i;p->pages = multifd_pages_init(page_count);p->packet_len = sizeof(MultiFDPacket_t)+ sizeof(ram_addr_t) * page_count;p->packet = g_malloc0(p->packet_len);p->name = g_strdup_printf("multifdsend_%d", i);socket_send_channel_create(multifd_new_send_channel_async, p);//在multifd_new_send_channel_async中进行源端的迁移线程multifd_send_thread的建立}return 0;}
该函数的作用是进行 Multifd 数据结构等的初始化和发送线程的建立。
multifd_send_thread
static void *multifd_send_thread(void *opaque){MultiFDSendParams *p = opaque;Error *local_err = NULL;int ret;trace_multifd_send_thread_start(p->id);rcu_register_thread();if (multifd_send_initial_packet(p, &local_err) < 0) {//传输在数据发送前initial_packet,会在接收端进行检验goto out;}/* initial packet */p->num_packets = 1;while (true) {qemu_sem_wait(&p->sem); //等待multifd\_send\_sync\_main或multifd\_send\_pages进行postqemu_mutex_lock(&p->mutex);if (p->pending_job) { //如果有未完成的工作uint32_t used = p->pages->used;uint64_t packet_num = p->packet_num;uint32_t flags = p->flags;multifd_send_fill_packet(p);p->flags = 0;p->num_packets++;p->num_pages += used;p->pages->used = 0;qemu_mutex_unlock(&p->mutex);trace_multifd_send(p->id, packet_num, used, flags);ret = qio_channel_write_all(p->c, (void *)p->packet,p->packet_len, &local_err);//发送packet,里面包含了数据大小,flags等对端需要的信息if (ret != 0) {break;}ret = qio_channel_writev_all(p->c, p->pages->iov, used, &local_err); \\发送pagesif (ret != 0) {break;}qemu_mutex_lock(&p->mutex);p->pending_job--;//本次工作完成qemu_mutex_unlock(&p->mutex);if (flags & MULTIFD_FLAG_SYNC) {qemu_sem_post(&multifd_send_state->sem_sync);//与multifd_send_sync_main同步}qemu_sem_post(&multifd_send_state->channels_ready);//channels_ready,告知multifd_send_pages有发送channel可用} else if (p->quit) {qemu_mutex_unlock(&p->mutex);break;} else {qemu_mutex_unlock(&p->mutex);/* sometimes there are spurious wakeups */}}out:if (local_err) {multifd_send_terminate_threads(local_err);}qemu_mutex_lock(&p->mutex);p->running = false;qemu_mutex_unlock(&p->mutex);rcu_unregister_thread();trace_multifd_send_thread_end(p->id, p->num_packets, p->num_pages);return NULL;}
该函数的作用是作为发送线程(之前提到的侧信道 side-channel ) 进行实际的数据发送。
multifd_send_sync_main
static void multifd_send_sync_main(void){int i;if (!migrate_use_multifd()) {return;}if (multifd_send_state->pages->used) {multifd_send_pages();//如果还存在着应该被发送的页,进行发送}for (i = 0; i < migrate_multifd_channels(); i++) {MultiFDSendParams *p = &multifd_send_state->params[i];//p是该channel的Send描述符trace_multifd_send_sync_main_signal(p->id);qemu_mutex_lock(&p->mutex);p->packet_num = multifd_send_state->packet_num++;p->flags |= MULTIFD_FLAG_SYNC;p->pending_job++;qemu_mutex_unlock(&p->mutex);qemu_sem_post(&p->sem);//pending_job配置好,可以唤醒multifd_send_thread。//这个packet用于告知负责接收的multifd_recv_thread本批数据传输结束}for (i = 0; i < migrate_multifd_channels(); i++) {MultiFDSendParams *p = &multifd_send_state->params[i];trace_multifd_send_sync_main_wait(p->id);qemu_sem_wait(&multifd_send_state->sem_sync);//等待上一步multifd_send_thread发送结束时进行同步}trace_multifd_send_sync_main(multifd_send_state->packet_num);}
该函数用于 multifd_send_thread 与主迁移线程 migration_thread 的同步。
multifd_queue_page
static void multifd_queue_page(RAMBlock *block, ram_addr_t offset){MultiFDPages_t *pages = multifd_send_state->pages;if (!pages->block) {pages->block = block;}//填充pages->iov和pages->offset待multifd_send_thread使用if (pages->block == block) {pages->offset[pages->used] = offset;pages->iov[pages->used].iov_base = block->host + offset;pages->iov[pages->used].iov_len = TARGET_PAGE_SIZE;pages->used++;if (pages->used < pages->allocated) {return;//当used<allocated(x-multifd-page-count)时直接返回,直到used==allocated时才进行multifd_send_pages}}multifd_send_pages();if (pages->block != block) {multifd_queue_page(block, offset);}}
该函数的任务是将需要被发送的页填充到 multifd_send_state 中,当数目达到 page-count 使由 multifd_send_pages 将工作交给 multifd_send_thread。
multifd_send_pages
/** How we use multifd_send_state->pages and channel->pages?** We create a pages for each channel, and a main one. Each time that* we need to send a batch of pages we interchange the ones between* multifd_send_state and the channel that is sending it. There are* two reasons for that:* - to not have to do so many mallocs during migration* - to make easier to know what to free at the end of migration** This way we always know who is the owner of each "pages" struct,* and we don't need any loocking. It belongs to the migration thread* or to the channel thread. Switching is safe because the migration* thread is using the channel mutex when changing it, and the channel* have to had finish with its own, otherwise pending_job can't be* false.*/static void multifd_send_pages(void){int i;static int next_channel;MultiFDSendParams *p = NULL; /* make happy gcc */MultiFDPages_t *pages = multifd_send_state->pages;uint64_t transferred;//等待multifd_send_thread readyqemu_sem_wait(&multifd_send_state->channels_ready);//寻找没有pending_job的channel,给它分配工作for (i = next_channel;; i = (i + 1) % migrate_multifd_channels()) {p = &multifd_send_state->params[i];qemu_mutex_lock(&p->mutex);if (!p->pending_job) {p->pending_job++;next_channel = (i + 1) % migrate_multifd_channels();break;}qemu_mutex_unlock(&p->mutex);}p->pages->used = 0;p->packet_num = multifd_send_state->packet_num++;p->pages->block = NULL;//使用multifd_send_state的pages替代p中的pagesmultifd_send_state->pages = p->pages;p->pages = pages;transferred = ((uint64_t) pages->used) * TARGET_PAGE_SIZE + p->packet_len;ram_counters.multifd_bytes += transferred;ram_counters.transferred += transferred;;qemu_mutex_unlock(&p->mutex);qemu_sem_post(&p->sem); //唤醒multifd_send_thread}
该函数负责在有可用 channe l时向 channel 分发工作,并最后将它们唤醒。
这里可以看到,每次发送时,都需要使用 multifd_send_state->pages 将 channel 发送描述符 p->pages 替代。
从函数前的注释中我们可以找到这样做的原因:
- 减少迁移中 malloc 的调用
- 在最后进行 free 时,可以清晰地知道应该 free 哪些
Multifd 源端发送流程
在了解了几个关键函数后,我们可以清楚地看清整个 Multifd 源端的发送流程:
- 在 migration_thread 调用之前,通过 multifd_save_setup 进行了初始化和负责发送的 multifd_send_thread 的建立。此时,所有 multifd_send_thread 等待 p->sem。
进入 migration_thread,进入 RAM 的初始化流程 ram_save_setup,开始初始化,并进行第一次主迁移线程与发送线程的同步(multifd_send_sync_main)。由于 multifd_pages_init 将 multifd_send_state->page->used 初始化为 0,第一次同步时不会进行 multifd_send_pages 的调用。等到 multifd_send_thread 第一次发送后,channels_ready 和 sem->sync 被 post,第一次同步结束。
开始迭代和最后的结束过程。ram_save_iterate 和 ram_save_complete 对 Multifd 发送端关键函数的调用模式是一致的。首先在 ram_find_and_save_block 中进行脏页的查找,之后 ram_find_and_save_block 先调用 multifd_queue_page 进行 multifd_send_state->pages 的填充,再通过 multifd_send_pages 将 multifd_send_state->pages 分发给 channel,进行 multifd_send_thread 的唤醒和发送。在 ram_find_and_save_block 之后再次调用同步函数 multifd_send_sync_main 进行主迁移线程和 multifd_send_thread 的同步。
https://blog.didiyun.com/index.php/2019/03/07/qemu-multifd/
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