页高速缓存和页回写

嵌入式学习Day6

1.先说页高速缓存是什么

Linux 读普通文件时，通常不是每次都直接访问磁盘，而是先看内存里有没有这页文件数据。如果有就称为缓存命中 比如你读一个文件的第 0~4095 字节：

• 内核会把这部分文件内容按“页”组织
• 一页通常是 4KB
• 这页会被放进 page cache

以后再读这部分内容时：

• 如果已经在页缓存中，直接从内存拿
• 不用再访问磁盘

2.页高速缓存 缓存的是什么

它缓存的是文件的内容页，不是进程私有匿名页 1）文件页（file-backed page）

• 可执行文件映射
• 普通文件 read/write
• mmap 文件

2）匿名页（anonymous page）

• malloc 之后得到的堆内存
• 用户栈
• brk 扩展出来的内存

3.页高速缓存放在哪里

从内核视角，文件有一个 address_space 对象，里面管理这个文件对应的页缓存。

文件 -> inode -> address_space -> cached pages

4.当进程执行 write() 往磁盘文件写数据时，页高速缓存到底怎么参与

目前有三种写缓存策略

4.1不缓存（nowrite）’

• 写操作不经过缓存
• 直接把数据写到磁盘
• 同时让原来缓存里的那份数据失效

4.2 写透缓存（write-through）

写操作既更新内存缓存，也同时更新磁盘文件。 也就是：

• 缓存要改
• 磁盘也要立刻改

4.3 回写（write-back）

Linux 采用的主要方式

• 写操作先只改页缓存
• 不立刻写磁盘
• 把这个页标成 脏页（dirty page）
• 之后由后台机制再写回磁盘

5.缓存回收策略

5.1缓存回收的目标

• 清除缓存中的旧数据
• 给更重要的新缓存项腾位置
• 必要时缩小缓存，占出内存给别的用途

5.2 回收规则

• 干净页优先回收——————因为磁盘里有备份，扔了还能再读回来
• 脏页不能直接回收——————要先写回磁盘。
• 理想策略是“扔未来最不会再用的页”

5.3 最近最少使用（LRU）策略

理想策略是难以实现的，所以对于通用的回收算法，最常用的就是LRU

• 最近刚被访问过的页，将来更可能再被访问
• 很久没被访问的页，将来不太可能再被访问

LRU 被一次性访问污染缓存

5.4 linux系统改进的LRU

但在操作系统里，页访问是极其频繁的：

• 每次内存访问都做重排，成本太高
• 多核并发下维护一个全局精确链表也很重

Linux系统将其缓存回收机制设置为一个“两级候选机制” 第一级：inactive list 新页、冷页、可疑页先放这里。 第二级：active list 只有那些被证明更有复用价值的页，才进入这里。 于是回收时：

• 先扫 inactive
• 真没价值的先扔

页怎么从 inactive 升到 active?

• 一个页第一次进入缓存，先在 inactive
• 如果之后又被访问到，说明它不是“一次性页”
• 那它更有资格进入 active

这就解决了LRU之前害怕访问大文件是别一次性访问污染的问题

6. address_space结构体

address_space 代表一个“可分页缓存的对象”的页缓存空间

文件 -> inode -> address_space -> cached pages

你可以把 address_space 理解成某个文件在内存里的“页缓存目录”他记录着：

• 这个文件有哪些页已经在缓存里
• 每一页对应文件的哪个偏移
• 哪些页是脏的
• 哪些页正在回写
• 怎么把页写回磁盘

6.1 为什么需要address_space结构体

从文件看来，数据是线性的，但在磁盘上，这些数据未必连续存放。比如文件的第 0 页逻辑上是连续 4KB，但底层磁盘块可能分散在不同位置。所以页缓存不能简单按“设备名 + 物理块号”来索引。

这时候就要回忆一下之前的块IO层了，使用IO读取数据的时候是使用设备名+物理块号来索引的