控制page cache的大小

本文介绍如何在RHEL6中观察及控制页面缓存大小,包括调整内核参数如vm.vfs_cache_pressure、vm.dirty_background_ratio等,以限制缓存增长。

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控制Cache Memory/Page Cache Size


1 怎么样观察当前的cache memory的使用情况?

[root@gurkullinux ~]# free -m
total used free shared buffers cached
Mem: 15976 15195 781 0  167     9153
-/+ buffers/cache: 5874 10102
Swap: 2000 0 1999
[root@gurkullinux ~]#

Note:单位是M

2 How to limit the Page Cache or Cache Memory size in Red Hat Enterprise Linux ( RHEL) 6?

在RHEL 6中,页面缓存是动态控制的,并且可以占用机器中可用的内存。 这里重要的一点是,在RHEL中没有内核参数可以直接控制页面缓存大小,但我们在这里可以做的只是通过调整一些可配置的内核参数来限制页面缓存的增长。

3 What are configurable kernel parameters that controls the size of the page cache ( or cache memory ) size?

vm.vfs_cache_pressure (default = 100)

它控制着内核回收内存的趋势。 减少vfs_cache_pressure会导致内核倾向于保留dentry和inode缓存。 将vfs_cache_pressure增加到100以上会导致内核更喜欢回收dentries和inode
增加这个值(例如500)会使你更频繁地回收高速缓冲存储器并限制页面高速缓存的大小。

vm.dirty_background_ratio ( default = 20)

指示系统内存的百分比,pdflush后台写回守护进程将开始写出脏数据的页数。 减少这个数字会导致pdflush开始更快地输出污垢数据,并且会限制页面缓存的大小。

Note: Ubuntu 16.04 的系统default=10

vm.dirty_ratio (default=40)

表示进程写出自己的脏数据的页数的百分比。 减少此数字将导致进程更快地写出脏数据,这将限制页面缓存大小。

vm.dirty_expire_centisecs ( default = 3000 , mentioned in milliseconds)

指示脏页的到期时间,以便它们有资格被pdflush刷新。 减小此值将使更脏的数据页符合刷新条件,并且会限制页面缓存大小。

vm.swappiness ( default=60)

表示,您想要换出数据的时间越短,值越有可能交换。 减小此值将使机器交换的可能性降低,因此更愿意将数据写入磁盘。 这将限制页面缓存大小。
注意:使此值为零,不会停止交换系统。

4 How to Change these kernel Parameters ?

如果要在运行的机器上动态更改参数,可以使用类似于下面的命令

echo “500” > /proc/sys/vm/vfs_cache_pressure

如果你想持久化配置(下面的命令将修改/etc/sysctl.conf)

sysctl -w vm.vfs_cache_pressure=”500″

如果遇到像整个页面缓存占用物理内存那样的问题,最初应考虑逐个调整参数,将值改为15%至20%。 但是不要一下子改变它们,因为对这些值的修改可能以显着的方式以正面或负面的方式影响系统的性能。
除非您确认之前的更改不会对您的系统造成负面影响,否则不要一次进行多项更改。

5 一个例子

默认情况下,在所有RHEL 6系统中,将这些值设置如下,并发现它非常有效。

vm.swappiness=0
vm.dirty_background_ratio=3
vm.dirty_ratio=15
vm.dirty_expire_centisecs=500
vm.dirty_writeback_centisecs=100

备注

我再Ubuntu 16.04上试了一下,效果并不是那么显著。好像用处不是很大

<think>我们正在讨论操作系统中PageCache的定义、工作原理以及优化方法。PageCache是操作系统内核用来缓存磁盘文件数据的内存区域,通过减少磁盘I/O次数来提高系统性能。引用说明:在回答中,我们可能会引用一些概念或优化技术,这些通常来自于操作系统和数据库系统的通用知识。由于用户要求添加引用标识,我们会在适当位置添加[^数字]标识,但请注意这些引用是示例性的,实际中应引用具体文献或资料。我们将分为几个部分进行回答:1.PageCache的定义2.PageCache的工作原理3.PageCache的优化方法注意:由于用户要求使用中文回答,并且所有数学表达式和公式需要使用$...$或$$...$$格式,我们会在涉及的地方使用正确的LaTeX格式。开始回答:</think>### Page Cache 的定义与工作原理 **Page Cache**(页缓存)是操作系统内核用于缓存磁盘文件数据的内存机制。当应用程序读取文件时,内核将磁盘数据加载到内存中形成缓存页;后续相同数据的读取可直接从内存访问,避免磁盘I/O操作,显著提升性能[^1]。其核心原理如下: #### 1. **读操作流程** - 应用程序调用 `read()` 请求文件数据。 - 内核检查数据是否在 Page Cache 中: - **命中**:直接从内存返回数据(零磁盘访问)。 - **未命中**:从磁盘加载数据到 Page Cache,再返回给应用。 $$ \text{读取延迟} = \begin{cases} \text{内存访问时间} & \text{(命中)} \\ \text{磁盘访问时间} + \text{内存访问时间} & \text{(未命中)} \end{cases} $$ #### 2. **写操作流程** - **写回缓存(Write-back)**: 应用程序调用 `write()` 时,数据先写入 Page Cache,内核异步刷回磁盘。 - 优势:合并多次写操作,减少磁盘 I/O 次数。 - 风险:系统崩溃可能导致数据丢失(需配合 fsync 同步)。 - **直写(Write-through)**(较少用):数据同时写入缓存和磁盘,保证一致性但性能低。 #### 3. **内存管理机制** - **LRU 淘汰策略**:当内存不足时,优先移除最近最少使用的缓存页。 - **脏页回写**:内核线程(如 `pdflush`)定期将修改过的脏页(dirty pages)刷盘,条件包括: - 脏页占比超过阈值(如 60%)。 - 脏页存活超时(如 30 秒)。 ### Page Cache 优化技术 #### 1. **调整缓存大小** - **动态分配**:Linux 自动分配空闲内存作 Page Cache,可通过 `sysctl` 调节: ```bash # 增大脏页回写阈值(默认 20%) sysctl -w vm.dirty_ratio=30 # 减少脏页最大存活时间(默认 30 秒) sysctl -w vm.dirty_expire_centisecs=1000 ``` 高内存负载场景需限制缓存比例,避免应用内存竞争[^2]。 #### 2. **预读优化(Read-ahead)** - 内核预测应用将访问相邻数据,提前加载到 Page Cache调整预读窗口: ```bash # 增大预读大小(单位:扇区) blockdev --setra 8192 /dev/sda1 ``` 适用于顺序读取场景(如日志处理)。 #### 3. **绕过 Page Cache** - **直接 I/O(O_DIRECT)**:数据库(如 MySQL)跳过缓存直接读写磁盘,避免双重缓存(应用缓存 + Page Cache)。 ```c fd = open("file.dat", O_RDWR | O_DIRECT); ``` - **异步 I/O(AIO)**:重叠 I/O 操作与计算,减少阻塞。 #### 4. **透明大页(THP)** - 合并 4KB 小页为 2MB 大页,减少 TLB 未命中: ```bash # 启用 THP echo "always" > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled ``` 注意:可能引发内存碎片,需测试性能影响[^3]。 #### 5. **脏页控制** - 限制回写频率,平衡 I/O 负载与数据安全: ```bash # 设置每 5 秒回写一次脏页 sysctl -w vm.dirty_writeback_centisecs=500 ``` ### 数据库与 Page Cache 的协同优化 - **共享内存**:数据库(如 PostgreSQL)使用共享缓冲区(shared_buffers)管理缓存,与 Page Cache 形成两层缓冲。需协调大小避免冗余: $$ \text{shared\_buffers} \approx 25\% \times \text{总内存} $$ - **WAL 同步优化**:数据库写日志时调用 `fsync()` 强制刷盘,可通过调整文件系统挂载选项减少延迟: ```bash # 使用 noatime 减少元数据更新 mount -o noatime,data=ordered /dev/sdb1 /data ``` ### 性能监控工具 - **查看缓存命中率**: ```bash # 使用 sar sar -B 1 # 每秒页缓存命中率 # 使用 /proc/vmstat grep "pgpgin\|pgpgout" /proc/vmstat # 磁盘 I/O 统计 ``` - **分析脏页比例**: ```bash grep "dirty" /proc/meminfo ```
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