一文了解Linux磁盘缓存机制

前言

最近遇到了一起跟磁盘相关的线上故障，借此总结一下之前不太了解的Linux磁盘缓存相关的知识。

总的来说磁盘缓存出现的原因大概有两个：第一是访问磁盘的速度远慢于访问内存的速度，通过在内存中缓存磁盘内容可以提高访问速度；第二是根据程序的局部性原理，数据一旦被访问过，就很有可能在短时间内再次被访问，所以在内存中缓存磁盘内容可以提高程序运行速度。

局部性原理

程序局部性原理：程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体来说，局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性。

时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用。

空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。

页缓存

Linux系统中为了减少对磁盘的IO操作，会将打开的磁盘内容进行缓存，而缓存的地方则是物理内存，进而将对磁盘的访问转换成对内存的访问，有效提高程序的速度。Linux的缓存方式是利用物理内存缓存磁盘上的内容，称为页缓存（page cache）。

页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。页缓存的大小会根据系统的内存空闲大小进行动态调整，它可以通过占用内存以扩张大小，也可以自我收缩以缓解内存使用压力。

在虚拟内存机制出现以前，操作系统使用块缓存系列，但是在虚拟内存出现以后，操作系统管理IO的粒度更大，因此采用了页缓存机制，页缓存是基于页的、面向文件的缓存机制。

页缓存的读取

Linux系统在读取文件时