Linux緩存機制之頁緩存

Linux運用一個功能廣泛的緩沖和緩存框架來提高系統的速度。緩沖和緩存利用一部分系統物理內存，確保最重要、最常使用的塊設備數據在操作時可直接從主內存獲取，而無需從低速設備讀取。物理內存還用於存儲從快設備讀取的數據，使得隨後對該數據的訪問可直接在物理內存進行，而無需從外部設備再次取用。考慮系統中多種因素然後延遲寫回在總體上改進了系統的性能。前面分析的部分，例如內存管理的slab緩存是一個內存到內存的緩存，其目地不是加速對低速設備的操作，而是對現有資源進行更簡單、更高效的使用。文件系統的Dentry緩存也用於減少對低速塊設備的訪問，但他無法推廣到通用場合，因為他是專門用於處理單一數據類型的。

內核為塊設備提供了兩種通用的緩存方案：

1） 頁緩存，針對以頁為單位的所有操作，並考慮了特定體系結構上的頁長度。一個主要的例子是內存映射技術。因為其他類型的文件訪問也是基於內核中的這一技術實現的。所以頁緩存實際上負責了塊設備的大部分緩存工作。

2） 塊緩存，以塊為操作單位。在進行I/O操作時，存取的單位是設備的各個塊，而不是整個內存頁。盡管頁長度對所有文件系統都是相同的，但塊長度取決於特定的文件系統或其設置。因而，塊緩存必須能夠處理不同長度的塊。

目前用於塊傳輸的標准數據結構已經演變為struct bio。用這種方式進行塊傳輸更為高效，因為他可以合並同一請求中後續的塊，加速處理的進行。在許多場合下，頁緩存和塊緩存是聯合使用的。例如，一個緩存的頁在寫操作期間可以劃分為不同的緩沖區，這樣可以在更細的力度下，識別出頁被修改的部分。好處在於，在將數據寫回時，只需要回寫被修改的部分，無需將這個頁面傳輸回底層的塊設備。

頁面緩存結構

1. /*高速緩存的核心數據結構，對塊設備的讀寫操作都放在該結構體裡*/  
2. struct address_space {  
3.     /*與地址空間所管理的區域之間的關聯數據結構之一 
4.     inode結構指定了後備存儲器*/  
5.     struct inode        *host;      /* owner: inode, block_device */  
6.     /*與地址空間所管理的區域之間的關聯之二 
7.     ，page_tree列出了地址空間中所有的物理內存頁*/  
8.     struct radix_tree_root  page_tree;  /* radix tree of all pages */  
9.     spinlock_t      tree_lock;  /* and lock protecting it */  
10.     /*所有用VM_SHARED屬性創建的映射*/  
11.     unsigned int        i_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings */  
12.     /*基數根節點，該樹包含了與該inode相關的所有 
13.     普通內存映射。該樹的任務在於，支持查找包含了 
14.     給定區間中至少一頁的所有內存區域*/  
15.     struct prio_tree_root   i_mmap;     /* tree of private and shared mappings */  
16.     /*包含所有在非線性映射中的頁*/  
17.     struct list_head    i_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings */  
18.     spinlock_t      i_mmap_lock;    /* protect tree, count, list */  
19.     unsigned int        truncate_count; /* Cover race condition with truncate */  
20.     /*緩存頁的總數*/  
21.     unsigned long       nrpages;    /* number of total pages */  
22.     pgoff_t         writeback_index;/* writeback starts here */  
23.     const struct address_space_operations *a_ops;   /* methods */  
24.     /*集主要用於保存映射頁所來自的GFP內存區 
25.     的有關信息*/  
26.     unsigned long       flags;      /* error bits/gfp mask */  
27.     /*指向後備存儲器結構，該結構包含了與地址空間相關的 
28.     後備存儲器的有關信息，後備存儲器是指與地址空間相關 
29.     的外部設備，用做地址空間中信息的來源。他通常是塊設備 
30.     */  
31.     struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead, etc */  
32.     spinlock_t      private_lock;   /* for use by the address_space */  
33.     /*用於將包含文件系統元數據(通常是間接塊)的buffer_head 
34.     實例彼此連接起來*/  
35.     struct list_head    private_list;   /* ditto */  
36.     /*指向相關的地址空間的指針*/  
37.     struct address_space    *assoc_mapping; /* ditto */  
38. } __attribute__((aligned(sizeof(long))));  

後備存儲信息

1. struct backing_dev_info {  
2.     struct list_head bdi_list;  
3.     struct rcu_head rcu_head;  
4.     /*最大預讀數量，單位為PAGE_CACHE_SIZE*/  
5.     unsigned long ra_pages; /* max readahead in PAGE_CACHE_SIZE units */  
6.     /*對該成員，總是使用原子操作，指定了後備存儲器的狀態*/  
7.     unsigned long state;    /* Always use atomic bitops on this */  
8.     /*設備能力*/  
9.     unsigned int capabilities; /* Device capabilities */  
10.     congested_fn *congested_fn; /* Function pointer if device is md/dm */  
11.     void *congested_data;   /* Pointer to aux data for congested func */  
12.     void (*unplug_io_fn)(struct backing_dev_info *, struct page *);  
13.     void *unplug_io_data;  
14.   
15.     char *name;  
16.   
17.     struct percpu_counter bdi_stat[NR_BDI_STAT_ITEMS];  
18.   
19.     struct prop_local_percpu completions;  
20.     int dirty_exceeded;  
21.   
22.     unsigned int min_ratio;  
23.     unsigned int max_ratio, max_prop_frac;  
24.   
25.     struct bdi_writeback wb;  /* default writeback info for this bdi */  
26.     spinlock_t wb_lock;   /* protects update side of wb_list */  
27.     struct list_head wb_list; /* the flusher threads hanging off this bdi */  
28.     unsigned long wb_mask;    /* bitmask of registered tasks */  
29.     unsigned int wb_cnt;      /* number of registered tasks */  
30.   
31.     struct list_head work_list;  
32.   
33.     struct device *dev;  
34.   
35. #ifdef CONFIG_DEBUG_FS   
36.     struct dentry *debug_dir;  
37.     struct dentry *debug_stats;  
38. #endif   
39. };  

下圖為地址空間與內核其他部分的關聯。