Linux内核中的内存（三）

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页高速缓存(cache)是Linux内核实现磁盘缓存，通过把磁盘中的数据缓存到物理内存中，把对磁盘的访问变为对物理内存的访问。页回写是将页高速缓存中的变更数据刷新回磁盘的操作。引入磁盘高速缓存的目的主要有两个：其一，访问内存速度比访问磁盘快的多；其二，临时局部原理。

 

读后备存储(正被缓存的存储设备)：首先检查需要的数据是否在页高速缓存中，如果在，则放弃访问磁盘，而直接从内存中读取，这个行为叫做缓存命中。如果缓存未命中，那么内核必须调度块I/O操作，从磁盘读取数据，然后内核将读来的数据放入页缓存中，这样方便后期的缓存命中。

 

写缓存：方法一，不缓存，即直接将数据写到磁盘，不通过页高速缓存。方法二，写透缓存，即写操作自动更新内存缓存，同时也更新磁盘文件。方法三，回写，即后备存储不立即直接更新，由一个回写进程周期性将脏页链表中的页写回磁盘，这样通过延迟写磁盘，可以方便在以后的时间内合并更多的数据和再一次刷新。

 

缓存回收，即缓存中的什么内容将被清除的策略。Linux的缓存回收是通过选择干净的页进行简单替换，难点在于什么页应该回收，理想的回收策略是预测算法，同时还有最近最少使用算法(LUR)，双链策略(活跃链表和非活跃链表)。

 

页高速缓存中的页可能包含多个不连续的物理磁盘块，Linux页高速缓存的目的是缓存任何基于页的对象，这包含各种类型的文件和各种类型的内存映射。Linux页高速缓存使用了一个新的对象管理缓存项和I/O操作，这个对象是struct address_space结构体，该结构体是虚拟地址struct vm_area_struct的物理地址对等体。一个被缓存的文件只和一个address_space结构体相关联，但它可以有多个vm_area_struct结构体，也就是物理页到虚拟页是个一对多的映射。我们对页高速缓存也有相应的操作函数，重点是wrutepage和readpage函数，读页时，如果在页高速缓存中未搜素到需要的页，则内核将从磁盘读入需要的页，然后将该页加入到页高速缓存，写页时，页高速缓存更像是一个存储平台，所有要被写出的页都要加入页高速缓存中。

 

基树

页高速缓存通过两个参数address_space对象加上一个偏移量进行搜索，每个address_space对象都有唯一的基树，它保存在address_space中的page_tree结构体中。基树是一个二叉树，只要指定文件偏移，就可以在基树中迅速检索到希望的页。

 

缓冲区高速缓存

独立磁盘块通过I/O缓冲也要被存入页高速缓存，这个缓冲就叫缓冲区高速缓存，实现上没有将它作为独立缓存，而是作为页高速缓存的一部分。在更早的内核中，有两个独立的磁盘缓存，即页高速缓存和缓冲区高速缓存，前者缓存页面，后者缓存缓冲区，今天我们只有一个磁盘缓存，即页高速缓存，但是内核仍然需要在内存中使用缓冲来表示磁盘块，多亏缓冲是用页映射块的，所以它正好在页高速缓存中。

 

脏页被回写发生在如下三种条件下：其一，当空闲内存低于一个特定阈值时；其二，当脏页在内存中驻留时间超过一个特定的阈值时；其三，当用户进程调用syns()和fsync()系统调用时，内核会按要求执行回写动作。在2.6内核中，一群内核线程(flusher线程)执行回写，flusher线程会周期性地被唤醒并且把超过特定期限的脏页回写到磁盘，系统管理员可以到/proc/sys/vm中设置回写相关参数。除了常规的页回写flusher进程外，还有一种叫膝上型计算机模式，该策略主要是将硬盘转动的机械行为最小化，允许硬盘尽可能长时间地停滞，以延长电池供电时间，所以，机器可以在使用电池电源时自动既然怒膝上型计算机模式，而在插上交流电源时恢复到常规的页回写模式。