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;
15. char *name;
17. struct percpu_counter bdi_stat[NR_BDI_STAT_ITEMS];
19. struct prop_local_percpu completions;
20. int dirty_exceeded;
22. unsigned int min_ratio;
23. unsigned int max_ratio, max_prop_frac;
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 */
31. struct list_head work_list;
33. struct device *dev;
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。