《Linux内核设计与实现》读书笔记—页高速缓存和页回写

缓存手段

• 页高速缓存是由内存中的物理页面组成的，其内容对应磁盘上的物理块。它主要用来减少对磁盘的I/O操作。
• Linux的写缓存策略为回写(write-back)。在这种策略下，程序执行写操作直接写到页高速缓存中，磁盘存储不会立即更新，而是将被写入的页面标记为“脏”，并将其加入到脏链表中。然后由回写进程周期性将脏页写回到磁盘中。
• Linux的缓存回收策略为双链算法。Linux维护两个链表：活跃链表和非活跃链表。处于活跃链表的上的页面不会被换出，除在非活跃链表上的页面则都是可以被换出的。
• 当非活跃链表中的页面被访问时，页面从非活跃链表移动到活跃链表中。当活跃链表中的页面一段时间未被访问时，则从活跃链表移回到非活跃链表中。活跃链表和非活跃链表都被为LRU规则维护，即从尾部加入，从头部移出，如同FIFO。

页高速缓存

• 页高速缓存中的页可能包含了多个不连续的物理磁盘块，为了维持页高速缓存的普遍性，Linux使用了一个新的对象管理页高速缓存的缓存项和页I/O操作。这个对象为address_space结构体。
• address_space结构体即为vm_area_struct结构体的物理地址的对应体。一个文件可以被多个vm_area_struct结构体标识（例如多个进程调用mmap()映射同一个文件），但是这个文件只能有一个address_space数据结构。也就是说文件可以有多个虚拟地址，但是只能有一份物理地址。
• address_space结构体的i_mmap字段是一个优先搜索树，它的搜索范围包含了address_space中所有的映射页面，其可以帮助内核高效地找到关联的被缓存文件。nrpages字段标识address_space的页总数。host字段指向address_space关联的内核对象（例如inode）。a_ops字段指向address_space的操作函数表，这与VFS对象及其操作表关系类似。
• int (*wirtepage)(struct page*，struct writeback_control*)用来将缓存页中的内容写入到磁盘中。int (*readpage)(struct file*，struct writeback_control*)用来将磁盘中的内容读入到缓存页中。
• 每个adress_space对象都有一个唯一的基数(radix tree)，它保存在page_tree字段中。基树是一种二叉搜索树，只要制定了文件偏移，就可以在基树中迅速检索到希望的页。

缓冲区高速缓存

• 独立的磁盘块通过块IO缓冲也要存入页高速缓存中，IO缓冲是一个物理磁盘块在内存中的表示，其作用为映射内存中的页面到磁盘块，这样一来也高速缓存的IO操作也减少了磁盘访问。
• 当发生如下三种情况时，脏页被写回到磁盘中：空闲内存小于一定的阈值时，当脏页在内存中的驻留时间超过一定的阈值时，当用户调用sync()和fsync()系统调用时。上面三种情况中，前两种场景内核通过一组flusher()线程来将脏页写回到磁盘中。
• 相比较传统的页回写策略，笔记本的页回写策略除了将太旧的脏页回写以外，flusher线程还会找准磁盘运转的时机，把所有的IO操作，刷新脏缓冲通通写回到磁盘上。这样做的目的时为了尽量减少单独激活磁盘的行动，从而达到省电的目的。