linux内核分析——页高速缓存和页回写

发表于

页高速缓存和页回写

从访问速度来看，内存访问速度高于磁盘访问，而缓存访问速度又高于内存。

缓存手段

页高速缓存是由内存中的物理页面组成，对应的是磁盘上的物理块，可以动态扩大缩小。当内核开始读操作时，会先检查数据是否子啊缓存中，不命中采取磁盘找。

现在的缓存一般焊接在CPU上

写缓存

Linux在调用写操作时，使用的策略是——回写。这种策略是直接写到缓存中，而存储不是立刻更新，而是将页高速缓存中被写入的页面标记成脏页，表示缓存与磁盘不同步。延迟写磁盘，能方便后续对该页面的操作。

缓存回收

Linux实现的是一种改良LRU算法，则使用双链。Linux维护的是两个链表——活跃链表和非活跃链表，非活跃链表的页面是可以被换出的，而两个链表要保持数量平衡。

Linux页高速缓存

由于页高速缓存中的页可能包含多个不连续的物理磁盘块。Linux页高速缓存使用一个新的结构来管理缓存项和页面io操作。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
struct address_space {
        struct inode            *host;              /* owning inode */
        struct radix_tree_root  page_tree;          /* radix tree of all pages */
        spinlock_t              tree_lock;          /* page_tree lock */
        unsigned int            i_mmap_writable;    /* VM_SHARED ma count */
        struct prio_tree_root   i_mmap;             /* list of all mappings */
        struct list_head        i_mmap_nonlinear;   /* VM_NONLINEAR ma list */
        spinlock_t              i_mmap_lock;        /* i_mmap lock */
        atomic_t                truncate_count;     /* truncate re count */
        unsigned long           nrpages;            /* total number of pages */
        pgoff_t                 writeback_index;    /* writeback start offset */
        struct address_space_operations   *a_ops;   /* operations table */
        unsigned long           flags;              /* gfp_mask and error flags */
        struct backing_dev_info *backing_dev_info;  /* read-ahead information */
        spinlock_t              private_lock;       /* private lock */
        struct list_head        private_list;       /* private list */
        struct address_space    *assoc_mapping;     /* associated buffers */
};

其中i_mmap字段是一个优先搜索树，它包含了在该结构体中所有共享的与私有的映射页面。

address_space 操作

a_ops域指向地址空间对象中的操作函数表，由adress_space_operations结构体表示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
struct address_space_operations {
        int (*writepage)(struct page *, struct writeback_control *);
        int (*readpage) (struct file *, struct page *);
        int (*sync_page) (struct page *);
        int (*writepages) (struct address_space *, struct writeback_control *);
        int (*set_page_dirty) (struct page *);
        int (*readpages) (struct file *, struct address_space *,struct list_head *, unsigned);
        int (*prepare_write) (struct file *, struct page *, unsigned, unsigned);
        int (*commit_write) (struct file *, struct page *, unsigned, unsigned);
        sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
        int (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
        int (*releasepage) (struct page *, int);
        int (*direct_IO) (int, struct kiocb *, const struct iovec *,loff_t, unsigned long);
};

这里面最重要的是读写——readpage()和writepage()。

对于readpage，Linux内核试图在页高速缓存中使用find_get_page(mapping, index)找到需要的数据，将一个adress_space对象和一个偏移量传给该方法。如果找不到会返回一个NULL，并且内核新分配一个页面，并之前搜索的页面加入到页高速缓存。

对于writepage，首先在cache中搜索需要的页，如果需要的页不在，则新分配一个空闲项；下一步，内核会创建一个写请求，接着数据被从用户空间拷贝到内核缓冲，最后写入磁盘。

基树

每个address_page对象都有唯一的基树，保存在page_tree结构体中。只要指定了文件偏移量，就可以在基树中迅速检索到希望的页面。

flusher线程

在内存中累积起来的脏页最终会被写回磁盘，当下列3种情况发生时，脏页被写回磁盘：

  • 当空闲内存低于阈值时；
  • 当脏页在内存中驻留时间过长；
  • 当用户进程调用sync()和fsync()时；

在Linux内核中由一群flusher线程执行这三种工作，flusher线程会被周期性唤醒，或者因为空闲内存过低被唤醒。