virtioとパラ仮想化I/Oの仕組み

なぜエミュレートデバイスは遅いのか

KVM/QEMUが e1000 のような実在 NIC をエミュレートすると、ゲストは本物のハードウェアと同じ手順でデバイスを叩きます。送信ディスクリプタの設定、レジスタ書き込み、ステータスの読み出し——その一つひとつが MMIO アクセスとなり、VT-x/AMD-Vの VM exit を引き起こします。VM exit はゲストの実行を止め、CPU 状態を退避してホストへ制御を戻す高コストな遷移です。1 パケット送るだけで何度も exit が発生すれば、スループットは出ません。

問題の根は「ゲストが自分を実機だと思い込んでいる」点にあります。準仮想化（パラ仮想化）はこの前提を捨て、ゲストに「自分は仮想環境だ」と認めさせることで、仮想化に最適化した I/O 経路を設計します。virtio はその標準化された枠組みで、実機レジスタの忠実な模倣をやめ、ゲスト・ホスト間で合意した抽象デバイスを使います。

virtqueue：共有メモリ上のリングバッファ

virtio の核心は virtqueue という共有リングです。ゲスト物理メモリ上に確保され、ホスト（QEMU や vhost）も同じ領域を参照します。split virtqueue は次の三つの部分からなります。

流れは一方通行の二本のリングで表せます。ゲストはデータバッファを記述子テーブルに登録し、その先頭 index を available ring へ積みます。記述子は next で連結でき、1 つの論理要求を複数バッファ（ヘッダ＋データ＋ステータス）に分けて表現します。ホストは available ring を読んで記述子をたどり、バッファに対して読み書きし、完了したら index と実際の転送長を used ring へ書き戻します。ゲストは used ring を見て完了を回収します。

ゲスト                          virtqueue(共有メモリ)            ホスト(QEMU/vhost)
  │ バッファを記述子に登録
  │ 先頭indexを積む ───────────►  available ring
  │ kick（1回の通知）─────────►                ───► 記述子をたどり処理
  │                              used ring  ◄───── 完了index+長さを書く
  │ used ringから回収 ◄─────────
  │ 完了割り込み(call) ◄──────────────────────────  interrupt注入

肝は バッチ化 です。多数の I/O 記述子を available ring へ積んでから、1 回だけ kick（通知） で相手に知らせます。これにより 1 要求あたりの VM exit が償却され、ホスト側も複数要求をまとめて処理できます。完了側も同様で、used ring に複数積んでから 1 回の割り込みで回収すれば、割り込み回数を抑えられます。

kickとcall：通知をいかに減らすか

リングへ積むだけでは相手は気づきません。ゲスト→ホストの通知が kick、ホスト→ゲストの通知が call です。kick は典型的には virtio-pci の通知レジスタへの書き込みで、これが VM exit（または vhost では eventfd シグナル）になります。call はホストからゲストへの割り込み注入です。

通知は高コストなので、virtio は両方向で抑制機構を持ちます。ゲストは VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT で「当面、完了割り込みは要らない」とホストへ伝え、ホストは used ring を積んでも割り込みを送りません。逆に ホストは VRING_USED_F_NO_NOTIFY で「kick は要らない」とゲストへ伝え、ゲストはポーリングで処理が進んでいる間 kick を省きます。さらに新しい event_idx 機能では、「ここまで進んだら 1 回だけ通知して」という閾値を相手に渡し、通知を必要最小限にします。

virtio-netとvirtio-blkのデータフロー

転送機構は共通でも、virtqueue の使い方はデバイスごとに異なります。virtio-net は最低 2 本のキュー、受信用（RX）と送信用（TX）を持ちます。送信ではゲストが virtio_net_hdr（チェックサムオフロードや GSO の指示を含む）とパケット本体を記述子に積んで kick し、ホストが取り出してカーネルのネットワークデータパスへ流します。受信では、ゲストがあらかじめ空バッファを available ring に並べて「ここへ書いてくれ」と提示し、ホストが届いたパケットを書き込んで used ring で返す——受信は事前にバッファを供給しておくのが要点です。マルチキュー（virtio-net-mq）では vCPU ごとに RX/TX 対を持ち、並列にさばきます。

virtio-blk は 1 本（または複数）のキューで、各記述子チェーンが 1 つの I/O 要求を表します。先頭に種別（read/write）とセクタ番号を持つヘッダ、続いてデータバッファ、末尾に 1 バイトのステータスを置く三段構成が典型です。ゲストは要求を積んで kick、ホストが実ストレージへ読み書きしてステータスとデータを返します。複数要求を同時に in-flight にできるため、深いキュー深度で並列 I/O を引き出せます。

vhost：データ経路をカーネルへ降ろす

virtqueue の処理をユーザー空間 QEMU で回すと、kick のたびにゲスト→ホストカーネル→QEMU と戻る往復が残ります。vhost-net / vhost-blk はこのデータ経路をホストカーネル内のスレッドへ移します。QEMU はセットアップ時に、virtqueue のゲスト物理アドレス、通知用の eventfd（kick 用 / call 用）、メモリ配置テーブルをカーネルへ登録するだけ。以降の実際の転送はカーネルの vhost スレッドが担います。

[制御パス] QEMU ──ioctl──► vhostカーネルモジュール
            (virtqueueアドレス・eventfd・メモリマップを登録)

[データパス] ゲストkick → kick eventfd → vhostスレッドが起床
             vhostスレッドがvirtqueueを直接処理（QEMUを経由しない）
             完了 → call eventfd → KVMがゲストへ割り込み注入

要点は KVM の irqfd / ioeventfd との連携 です。ゲストの kick は ioeventfd 経由で直接 vhost を起こし、QEMU をまったく経由しません。完了割り込みも irqfd 経由で KVM が直接ゲストへ注入します。制御（セットアップ）は QEMU、データ転送と通知はカーネルで閉じるという二段の分業で、ユーザー空間への戻りが消えてスループットが伸びます。

まとめ

• エミュレートデバイスはゲストが実機作法でレジスタを叩くため MMIO 由来の VM exit が乱発し遅い。virtio は準仮想化で実機模倣をやめ、専用の効率的な I/O 経路を使う。
• virtqueue は共有メモリ上のリングで、ゲストが記述子を available ring に積み、ホストが処理して used ring へ完了を返す。複数要求を積んで 1 回 kick することで exit と割り込みをバッチ化する。
• kick（ゲスト→ホスト）と call（ホスト→ゲスト）は抑制フラグや event_idx で削減でき、高負荷時ほど 1 要求あたりの通知コストが下がる。
• vhost はデータ経路をカーネル内スレッドへ降ろし、kick/call を eventfd・irqfd 経由でやり取りして QEMU への往復を消す。制御は QEMU、転送はカーネルという分業である。