Linux內核學習筆記（八）Page Cache與Page回寫

Page cache是經過將磁盤中的數據緩存到內存中，從而減小磁盤I/O操做，從而提升性能。此外，還要確保在page cache中的數據更改時可以被同步到磁盤上，後者被稱爲page回寫（page writeback）。一個inode對應一個page cache對象，一個page cache對象包含多個物理page。

對磁盤的數據進行緩存從而提升性能主要是基於兩個因素：第一，磁盤訪問的速度比內存慢好幾個數量級（毫秒和納秒的差距）。第二是被訪問過的數據，有很大機率會被再次訪問。

Page Cache
Page cache由內存中的物理page組成，其內容對應磁盤上的block。page cache的大小是動態變化的，能夠擴大，也能夠在內存不足時縮小。cache緩存的存儲設備被稱爲後備存儲（backing store），注意咱們在block I/O一文中提到的：一個page一般包含多個block，這些block不必定是連續的。

讀Cache
當內核發起一個讀請求時（例如進程發起read()請求），首先會檢查請求的數據是否緩存到了page cache中，若是有，那麼直接從內存中讀取，不須要訪問磁盤，這被稱爲cache命中（cache hit）。若是cache中沒有請求的數據，即cache未命中（cache miss），就必須從磁盤中讀取數據。而後內核將讀取的數據緩存到cache中，這樣後續的讀請求就能夠命中cache了。page能夠只緩存一個文件部分的內容，不須要把整個文件都緩存進來。

寫Cache
當內核發起一個寫請求時（例如進程發起write()請求），一樣是直接往cache中寫入，後備存儲中的內容不會直接更新。內核會將被寫入的page標記爲dirty，並將其加入dirty list中。內核會週期性地將dirty list中的page寫回到磁盤上，從而使磁盤上的數據和內存中緩存的數據一致。

Cache回收
Page cache的另外一個重要工做是釋放page，從而釋放內存空間。cache回收的任務是選擇合適的page釋放，而且若是page是dirty的，須要將page寫回到磁盤中再釋放。理想的作法是釋放距離下次訪問時間最久的page，可是很明顯，這是不現實的。下面先介紹LRU算法，而後介紹基於LRU改進的Two-List策略，後者是Linux使用的策略。

LRU算法
LRU（least rencently used)算法是選擇最近一次訪問時間最靠前的page，即幹掉最近沒被光顧過的page。原始LRU算法存在的問題是，有些文件只會被訪問一次，可是按照LRU的算法，即便這些文件之後不再會被訪問了，可是若是它們是剛剛被訪問的，就不會被選中。

Two-List策略
Two-List策略維護了兩個list，active list 和 inactive list。在active list上的page被認爲是hot的，不能釋放。只有inactive list上的page能夠被釋放的。首次緩存的數據的page會被加入到inactive list中，已經在inactive list中的page若是再次被訪問，就會移入active list中。兩個鏈表都使用了僞LRU算法維護，新的page從尾部加入，移除時從頭部移除，就像隊列同樣。若是active list中page的數量遠大於inactive list，那麼active list頭部的頁面會被移入inactive list中，從而位置兩個表的平衡。
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