Linux 文件系统 IO （二）

一、磁盘的数据怎么写入Page Cache?

答案是通过缺页中断的方式写入。

缺页中断：缺页中断是当 CPU 访问虚拟地址时，发现对应的页面未加载到物理内存而引发的硬件异常。这一机制依赖 ** 页表（Page Table）** 实现虚拟地址到物理地址的映射。当页表中目标页面的有效位（Present Bit）为 0 时，硬件会触发缺页中断，将控制权转交给操作系统处理。

1、缺页中断的作用

• 页面调入内存：当应用程序访问的页面不在内存中时，缺页中断会触发操作系统将缺失的页面从磁盘加载到内存中。这样做的好处是，不需要将整个文件或数据集一次性全部加载到内存中，而是按需加载，只加载应用程序实际需要的页面。这样可以节省磁盘I/O开销，避免了无谓的磁盘读取操作，提高了系统的性能。
• 页面替换策略：当内存中的页面已满时，如果应用程序访问一个新的页面，操作系统需要选择一个页面进行替换，将其换出到磁盘上，为新的页面腾出空间。缺页中断提供了一个时机，让操作系统可以根据页面替换算法选择合适的页面进行替换，以保证内存中的页面是最有用的页面，提高内存的利用率。
• 延迟写策略：在写回策略下，当应用程序对一个脏页进行写操作时，脏页的写回操作不会立即进行，而是推迟到后续的某个时刻进行。这样可以将多次写操作合并为一次写操作，减少了磁盘写入的次数，降低了磁盘I/O开销。
• 页面预读取：为了进一步减少磁盘I/O开销，操作系统可以利用缺页中断的时机进行页面预读取。当应用程序访问一个页面时，操作系统可以预先加载一些相邻的页面到内存中，以提前满足应用程序的访问需求。这样可以减少后续的缺页中断和磁盘读取操作，提高了系统的响应速度。
• 权限检查和处理：缺页中断还可以用于检查应用程序对页面的访问权限。操作系统可以根据页面的访问权限（例如只读、读写等）来判断应用程序的访问是否合法，并根据需要进行相应的处理。

2、缺页中断的处理流程

中断处理程序：当发生缺页中断时，CPU会暂停当前应用程序的执行，并跳转到操作系统的中断处理程序。这个中断处理程序负责处理缺页中断。
中断处理程序的执行：中断处理程序会首先保存当前应用程序的上下文信息，包括寄存器的值和程序计数器等。然后，它会根据缺页中断的原因进行相应的处理。
页面调入内存：如果缺页中断是由于应用程序访问的页面不在内存中引起的，操作系统会触发页面调入内存的过程。它会根据页面表中的信息，确定需要调入的页面的位置和大小，并从磁盘上读取相应的页面数据。
磁盘I/O操作：在页面调入内存的过程中，操作系统会进行磁盘I/O操作，将需要的页面数据从磁盘读取到内存中。这包括了磁盘寻道、读取数据和数据传输等操作。
更新页表：当页面数据成功加载到内存中后，操作系统会更新页表，将该页面的状态设置为已加载，并将页面的物理地址映射到对应的虚拟地址。
恢复上下文和重新执行应用程序：当页面调入内存完成后，中断处理程序会恢复之前保存的应用程序的上下文信息，并将控制权返回给应用程序。应用程序会继续执行之前被中断的指令，但这次访问的页面已经在内存中了，不会再触发缺页中断。

二、Page Cache的工作原理

1、当应用程序打开一个文件并读取其中的数据时，操作系统会将文件的内容读取到内存中，并将其缓存为一个或多个页（通常是4KB大小的页）。
2、这些缓存的页被存储在一个被称为Page Cache的内存区域中，它是内核管理的一部分。
3、当应用程序再次访问相同的文件时，操作系统首先检查Page Cache中是否存在这些页的副本。如果存在，操作系统会直接从Page Cache中返回数据，而不需要再次访问磁盘。
4、如果应用程序对文件进行写操作，数据会被写入到Page Cache中的脏页（dirty page）。脏页表示该页的内容已经被修改，但还没有写回到磁盘。
5、当系统内存压力较大或需要释放内存时，内核会触发缓存刷新（cache flushing）操作，将脏页从Page Cache写回到磁盘中。
6、回写策略是为了确保缓存数据的一致性和避免数据丢失而设计的。当Page被标记为dirty时，表示该Page中的数据已经被修改过，这些数据需要被写回到磁盘上的，Linux提供了以下两种回写策略：