Linux内核学习笔记（八）Page Cache与Page回写

Page cache是经过将磁盘中的数据缓存到内存中，从而减小磁盘I/O操做，从而提升性能。此外，还要确保在page cache中的数据更改时可以被同步到磁盘上，后者被称为page回写（page writeback）。一个inode对应一个page cache对象，一个page cache对象包含多个物理page。

对磁盘的数据进行缓存从而提升性能主要是基于两个因素：第一，磁盘访问的速度比内存慢好几个数量级（毫秒和纳秒的差距）。第二是被访问过的数据，有很大几率会被再次访问。

Page Cache
Page cache由内存中的物理page组成，其内容对应磁盘上的block。page cache的大小是动态变化的，能够扩大，也能够在内存不足时缩小。cache缓存的存储设备被称为后备存储（backing store），注意咱们在block I/O一文中提到的：一个page一般包含多个block，这些block不必定是连续的。

读Cache
当内核发起一个读请求时（例如进程发起read()请求），首先会检查请求的数据是否缓存到了page cache中，若是有，那么直接从内存中读取，不须要访问磁盘，这被称为cache命中（cache hit）。若是cache中没有请求的数据，即cache未命中（cache miss），就必须从磁盘中读取数据。而后内核将读取的数据缓存到cache中，这样后续的读请求就能够命中cache了。page能够只缓存一个文件部分的内容，不须要把整个文件都缓存进来。

写Cache
当内核发起一个写请求时（例如进程发起write()请求），一样是直接往cache中写入，后备存储中的内容不会直接更新。内核会将被写入的page标记为dirty，并将其加入dirty list中。内核会周期性地将dirty list中的page写回到磁盘上，从而使磁盘上的数据和内存中缓存的数据一致。

Cache回收
Page cache的另外一个重要工做是释放page，从而释放内存空间。cache回收的任务是选择合适的page释放，而且若是page是dirty的，须要将page写回到磁盘中再释放。理想的作法是释放距离下次访问时间最久的page，可是很明显，这是不现实的。下面先介绍LRU算法，而后介绍基于LRU改进的Two-List策略，后者是Linux使用的策略。

LRU算法
LRU（least rencently used)算法是选择最近一次访问时间最靠前的page，即干掉最近没被光顾过的page。原始LRU算法存在的问题是，有些文件只会被访问一次，可是按照LRU的算法，即便这些文件之后不再会被访问了，可是若是它们是刚刚被访问的，就不会被选中。

Two-List策略
Two-List策略维护了两个list，active list 和 inactive list。在active list上的page被认为是hot的，不能释放。只有inactive list上的page能够被释放的。首次缓存的数据的page会被加入到inactive list中，已经在inactive list中的page若是再次被访问，就会移入active list中。两个链表都使用了伪LRU算法维护，新的page从尾部加入，移除时从头部移除，就像队列同样。若是active list中page的数量远大于inactive list，那么active list头部的页面会被移入inactive list中，从而位置两个表的平衡。
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