[LINUX]VFS高速缓存的实现方式

VFS buffercache的实现原理：

• ①磁盘的存储方式：（这里的磁盘理解为驱动程序的模拟），磁盘类似块存储的方式，一个文件可能分为非常多的块来存储，每个块并不大，可能就4k个字节等，即一个文件最终被存储在多个块上，而上层通过索引节点inode来记录对于块的索引（一个inode对应于一个或者多个同样内容的文件路径），而一个inode对下对应了多个块的信息。inode之上就某个文件系统超级块（包含了该文件系统的详细信息，即inode是相对于文件系统的概念，每个文件系统有一套自己的inode）。
• ②高速缓存：区别于之前的就是，高速缓存并不对应于某一个文件系统，而是总的概念。时内核中的一段内存，用hash表数组+双向链表的方式存储块的内容，其实和我们之前用的模式基本一样，这里用双向链表增加一个指针的空间，是为了方便增删改。每个块都有唯一的设备号和块号（这里的设备号可以理解为某个文件系统，块号是这个文件系统下对应的块的编号，所以buffer cache是多文件系统公用的，里面可能存储了磁盘文件系统的块信息，也有可能存储了socket文件系统的块信息。
• ③基本的算法思路：由于内存和磁盘相比，空间毕竟是有限的，所以涉及到内存块的删除，这个也是缓存的基本操作，基本的算法思路其实和我们的也比较的类似，就是最最常用的块尽量保留（命中率高的），即“最近最少使用”的算法：方法是维护一个空闲的循环链表，头尾相接，当然会有一个fake的作为尾节点，里面存储了所有预分配好的空闲的可以存储的块（块大小是固定的，所以可以预分配），一开始所有的表都是在空闲队列中，当有读写请求时，从空闲队列取一块出来，再进行磁盘驱动的读请求。并且根据设备号、块号，将这个“装载”了数据的块，放到hash表中的位置。后续如果有相同的读请求，则不用进行磁盘IO直接从缓存中根据hash表找到相应的块，进行读取。
• ④释放规则：最近最少使用其实关键在于释放规则，每次从空闲队列头部取空闲块，而每次块释放，并不是真正的释放，只是将其放到空闲队列的尾部，这样有一个好处，只要使用一次，那么这个块就会从空闲队列中移出来，使用完毕后又放到了空闲队列的尾部，这样，越高命中的块，往往永远会存在于hash表中，不会被真的释放。那么什么时候真的释放呢？在空闲队列头部取出一个块，该块如果没有延迟写标记，那么他上面的内容就会被真的释放，块上面的数据会被清零，也会从hash表中移除对应的块和设备号节点。（这也是为什么空闲队列和hash表都要用双向链表实现的原因，因为会进行频繁的插入、删除等操作），新的块号和设备号会被赋予这个块，同时会放入到用于查询的hash表中。这套机制简单理解就是做了保留命中率高的缓存机制（和我们用访问时间来保留缓存类似，只是用访问时间可能还需要排序，这种实现性能更加好一些，算法思路上也更加精致）。
• ⑤这种机制还顺便带来了很多的好处，比如控制，在单核cpu上面，如果一个进程获得了某个块，在其释放之前，这个块是无法被其他进程所获取的，其他进程只能够阻塞等待通知。一定程度上保证了同一时间对于某个块只有一个进程访问，但同时，文件又是由茫茫多的块组成，所以一定程度上又保证了多个进程同时读同一个文件的性能（因为只是同一个块需要等待，不同的块，无需等待）。
• ⑥在此基础上，buffer cache还有一些特性，比如异步预读文件块，当读取某一个块后预期可能还要读下一个块，那么会采用异步读取+释放的方式实现，当读取另一个块的时候，由于已经读取过了，直接从缓存中就能够获取到。