高速缓存在哪里 [操作系统页高速缓存]

时间：2018-07-23 23:29:50　来源：天一资源网本文已影响人

什么是页高速缓存

页高速缓存是Linux内核实现磁盘缓存，减少磁盘I/O操作的机制。通过把磁盘中的数据缓存在物理内存中，把对于磁盘的访问变为对内存的访问。

Linux页高速缓存

页高速缓存的普遍性

Linux页高速缓存的目标是缓存任何基于页的对象，包含各种类型的文件和内存映射

页高速缓存和缓冲区高速缓存

2.4之前有两个独立的磁盘缓存：页高速缓存和缓冲区高速缓存

页高速缓存缓存页面

缓冲区高速缓存缓冲缓冲区

目前的内核中在内存中仍然使用缓冲来表示磁盘块，但是缓冲使用页映射的磁盘块，也就是说其实只是页高速缓存

缓存回写

回写条件

当空闲内存低于一个特定阈值时，使用flusher线程进行回写
脏页在内存中的贮存时间超过一个特定的阈值时，使用flusher线程进行回写
使用sync()以及fsync()系统调用

缓存回收

决定缓存中什么内容将被清除，Linux实现的是个修改过的LRU(Least Recent Used)，Linux将维护两个链表：活跃链表和非活跃链表。

在活跃链表上的页面将不被换出，而在非活跃链表上面的页面则是可以被换出的。

页缓存如何组织

address_space数据结构

struct address_space { struct inode *host; /* owner: inode, block_device */ struct radix_tree_root page_tree; /* radix tree of all pages */ spinlock_t tree_lock; /* and lock protecting it */ atomic_t i_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings */ struct rb_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */ struct list_head i_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings */ struct mutex i_mmap_mutex; /* protect tree, count, list */ /* Protected by tree_lock together with the radix tree */ unsigned long nrpages; /* number of total pages */ unsigned long nrshadows; /* number of shadow entries */ pgoff_t writeback_index;/* writeback starts here */ const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */ unsigned long flags; /* error bits/gfp mask */ struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead, etc */ spinlock_t private_lock; /* for use by the address_space */ struct list_head private_list; /* ditto */ void *private_data; /* ditto */} __attribute__((aligned(sizeof(long))));

i_mmap

i_mmap字段是一个优先搜索树，包含address_space中所有的私有的映射页面，即vm_area_struct的映射

一个文件可以被多个vm_area_struct标识，但是这个文件只能有一个address_space结构

也就是说这个文件可以有多个虚拟地址但是在物理内存中只有一份

a_ops

struct address_space_operations

address_space的组织

如果页属于一个文件，那么也的所有者就是文件的索引节点
如果页中包含的数据来自于块设备，开设备文件对应索引节点的i_mapping字段指向主索引节点中的address_space对象，address_space对象的host字段指向主索引节点

基数树

在任何页进行I/O操作前都需要检查该页是否存在于页高速缓存中，Linux中使用基数树对页缓存进行组织方便搜索

Linux内核利用radix树在文件内偏移快速定位文件缓存页，下图是一个radix树样例，该radix树的分叉为4，树高为4，叶子节点存放指向页描述符的指针，上层的节点存放其他孩子节点的指针，可以定位4x4x4x4=256页，如：图中虚线对应的两个叶子结点的路径组成值0x00000010和0x11111010，指向文件内相应偏移所对应的缓存页。

操作系统页高速缓存