戳藍字「TopCoder」關注咱們哦！html
編者注：在分析完 Linux inode 基礎概念 以後，讓咱們看下inode在內存中對應的文件系統抽象VFS，而後分析下關於 磁盤操做 中Page Cache的回寫策略。node
VFS（虛擬文件系統層）
VFS是虛擬文件系統層（進程與文件系統之間的抽象層），與它相關的數據結構只存在於物理內存當中。其目的是屏蔽下層具體文件系統操做的差別，爲上層的操做提供一個統一接口，正是因爲VFS的存在，Linux中容許多個不一樣的文件系統共存。web
VFS中包含着向物理文件系統轉換的一系列數據結構，如VFS超級塊、VFS的Inode、各類操做函數的轉換入口等。Linux中VFS依靠四個主要的數據結構來描述其結構信息，分別爲超級塊、索引結點、目錄項和文件對象，這些數據結構大都會與磁盤上的對應上。算法
超級塊（Super Block）：超級塊對象表示一個文件系統。它存儲一個已安裝的文件系統的控制信息，包括文件系統名稱（好比Ext2）、文件系統的大小和狀態、塊設備的引用和元數據信息（好比空閒列表等等）。超級塊與磁盤上文件系統的超級塊對應。緩存
索引結點（Inode）：索引結點對象存儲了文件的相關元數據信息，例如：文件大小、設備標識符、用戶標識符、用戶組標識符等等。Inode分爲兩種：一種是VFS的Inode，一種是具體文件系統的Inode。前者在內存中，後者在磁盤中。因此每次實際上是將磁盤中的Inode調進填充內存中的Inode，這樣纔是算使用了磁盤文件Inode。當建立一個文件的時候，就給文件分配了一個Inode。一個Inode只對應一個實際文件，一個文件也會只有一個Inode（Unix/Linux系統中目錄也是一種文件，打開目錄實際上就是打開目錄文件。目錄文件的結構很是簡單，就是一系列目錄項（dirent）的列表。每一個目錄項，由兩部分組成：所包含文件的文件名，以及該文件名對應的inode號碼）。微信
目錄項（Dentry）：引入目錄項對象的概念主要是出於方便查找文件的目的。不一樣於前面的兩個對象，目錄項對象只存在於內存中，實際對應的是磁盤的目錄innode對象。VFS在查找的時候，根據一層一層的目錄項找到對應的每一個目錄項的Inode，那麼沿着目錄項進行操做就能夠找到最終的文件。數據結構
文件對象（File）：文件對象描述的是進程已經打開的文件。由於一個文件能夠被多個進程打開，因此一個文件能夠存在多個文件對象，但多個文件對象其對應的索引節點和目錄項對象確定是唯一的，關係以下圖：app
因爲進程中File對象有獨立的文件偏移量（current file offset），所以多個進程能夠讀寫文件的不一樣位置的數據，可是通常不建議這樣玩，由於系統不保證該狀況下的寫的原子性，多進程能夠經過文件鎖實現對文件內容的寫保護。函數
PageCache
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。性能
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。
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，此時不會當即同步到磁盤，而是將寫入的page設置爲髒頁，並將其加入dirty list中，內核會負責按期同步到磁盤保持兩者一執行。
page cache另外一個主要工做是回收page釋放內存空間，此時會選擇合適的page進行釋放，若是是髒頁會先同步到磁盤而後釋放。此時是如何選擇cache頁的呢？Linux使用的策略是基於LRU改進的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。
觸發髒頁回寫到磁盤時機以下：
用戶進程調用sync() 和 fsync()系統調用；
空閒內存低於特定的閾值（threshold）；
Dirty數據在內存中駐留的時間超過一個特定的閾值。
注意這裏的page cache的髒頁回寫機制能夠和mmap的髒頁回寫機制作下對比，mmap會在必定時間後系統自動回寫髒頁面到磁盤，也就是說mamp中修改過的髒頁面並不會當即更新迴文件中，而是有一段時間的延遲，能夠調用msync()來強制同步, 這樣所寫的內容就能當即保存到文件裏了。
推薦閱讀
本文分享自微信公衆號 - TopCoder（gh_12e4a74a5c9c）。
若有侵權，請聯繫 support@oschina.cn 刪除。
本文參與「OSC源創計劃」，歡迎正在閱讀的你也加入，一塊兒分享。