【linux】 pagecache
一、page cache简介
page cache，又称pcache，其中文名称为页高速缓冲存储器，简称页高缓。page cache的大小为一页，通常为4K。在linux读写文件时，它用于缓存文件的逻辑内容，从而加快对磁盘上映像和数据的访问。
二、page cache的功能详解
在从外存的一页到内存的一页的映射过程中，page cache与buffer cache、swap cache共同实现了高速缓存功能，以下是其简单映射图，
外存的一页(分解为几块，可能不连续)
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物理磁盘的磁盘块
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内存的buffer cache
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内存的一页(由一个页框划分的几个连续buffer cache构成)
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页高缓系统
在这个过程中，内存管理系统和VFS与page cache交互，内存管理系统负责维护每项page cache的分配和回收，同时在使用memory map方式访问时负责建立映射；VFS负责page cache与用户空间的数据交换。
三、page cache的管理
在Linux内核中，文件的每个数据块最多只能对应一个page cache项，它通过两个数据结构来管理这些cache项，一个是radix tree，另一个是双向链表。
Radix tree是一种搜索树，Linux内核利用这个数据结构，快速查找脏的(dirty)和回写的（writeback）页面，得到其文件内偏移，从而对page cache进行快速定位。图1是radix tree的一个示意图，该radix tree的分叉为4(22)，树高为4，用来快速定位8位文件内偏移。
另一个数据结构是双向链表，Linux内核为每一片物理内存区域(zone)维护active_list和 inactive_list两个双向链表，这两个list主要用来实现物理内存的回收。这两个链表上除了文件Cache之外，还包括其它匿名 (Anonymous)内存，如进程堆栈等。
四、page cache相关API及其实现
Linux内核中与文件Cache操作相关的API有很多，按其使用方式可以分成两类：一类是以拷贝方式操作的相关接口，如read/write/sendfile等，其中sendfile在2.6系列的内核中已经不再支持；另一类是以地址映射方式操作的相关接口，如mmap等。
第一种类型的API在不同文件的Cache之间或者Cache与应用程序所提供的用户空间buffer之间拷贝数据，其实现原理如图2所示。
第二种类型的API将Cache项映射到用户空间，使得应用程序可以像使用内存指针一样访问文件，Memory map访问Cache的方式在内核中是采用请求页面机制实现的，其工作过程如图3所示。
首先，应用程序调用mmap（图中1），陷入到内核中后调用do_mmap_pgoff（图中2）。该函数从应用程序的地址空间中分配一段区域作为映射的内存地址，并使用一个VMA（vm_area_struct）结构代表该区域，之后就返回到应用程序（图中3）。当应用程序访问mmap所返回的地址指针时（图中4），由于虚实映射尚未建立，会触发缺页中断（图中5）。之后系统会调用缺页中断处理函数（图中6），在缺页中断处理函数中，内核通过相应区域的 VMA结构判断出该区域属于文件映射，于是调用具体文件系统的接口读入相应的Page Cache项（图中7、8、9），并填写相应的虚实映射表。经过这些步骤之后，应用程序就可以正常访问相应的内存区域了。
五、pagecache与inode cache关系
page cache 在代码中又称 inode page cache,足以显示page cache 和inode紧密关联. 加入page cache 和加入inode cache是同一个意思.加入page cache意味着同时加入page cache hash表和inode queue(也建立了page和addr sapce的关系). 见函数add_to_page_cache_locked,__add_to_page_cache即可取证.从page cache 删除在程序中叫__remove_inode_page,再次显示inode 和page cache的"一体化".
六、应用
linux 对文件的访问除了显示使用O_DIRECT标志，所有的访问都会经过pagecache。例如open一个文件，通过read系统调用读取数据的流程：
用户态发起read操作，传入要读取的文件的fd、偏移以及数据存储空间
陷入内核态vfs_read函数，generic_file_aio_read-->do_generic_file_read
do_generic_file_read的流程可以简化如下：
start:
if (pagecache中存在文件和偏移的页面) {
进行相应的预读策略，并将相应的内容读取到用户指定空间
} else {
生成通用块层读取策略，提交给通用块层，本进程进入uninterruptible状态，等待读取完成。
goto start;
}
从上面的流程可以看出，在非DIRECT方式下，磁盘文件操作都是经过pagecache的。
每个文件在内存中最多有一个pagecache镜像，也就是说对应同一个文件，所有的进程共享pagecache。后面讲到的vmtouch正式利用这个特性才得以正常工作。
如果pagecache能够合理的存储文件的话，会极大的提供进程运行的效率（内存操作效率 >> 磁盘操作效率）。
七、系统全局的pagecache和优化
free
/proc/sys/vm/drop_caches
/proc/sys/vm/pagecache_limit_mb
通过free命令可以看到当前系统下总共有多少内存用于pagecache
linux-19:~ # free
total used free shared buffers cached
Mem: 8057748 6803284 1254464 0 430468 4896108
-/+ buffers/cache: 1476708 6581040
Swap: 8393920 8824 8385096
从命令的输出可以看到总共有4G多的内存用于pagecache。
虽然pagecache可以显著的优化对文件操作的性能，但是过多的pagecache会导致系统空闲内存减少，影响操作系统的整体性能，比如当空闲内存减少后会影响未进入pagecache的文件的读取性能。
我们可以通过命令强制内核释放掉pagecache，命令如下所示：
echo “1” > /proc/sys/vm/drop_caches
上述命令执行完后，会暂时释放掉pagecache，如果要想一直保证系统有足够的空闲内存，可以通过一个crontab来定时执行上面的命令（这可不是内核的风格^_^）。于是Vaidyananthan Srinivasan添加了一个参数pagecache_limit_mb来防止pagecache积聚导致系统性能下降的问题（从2.6.20内核开始演进过来，之前的参数包括pagecache_ratio，不过最新的内核都删除了这些参数，使用了cleancache）。
关于pagecache_limit_mb参加附录1，关于cleancache参加附录2
八、基于文件的pagecache和优化
vmtouch
在做性能优化的时候，经常会用到查看特定的某些文件的pagecache情况，那么内核是不是提供相应的工具呢？
很遗憾，或许是因为这个工具太过简单，以至于一直没能进入内核的tools列表。关于这个工具的代码详见附录3
这个工具提供了查看指定文件的pagecache情况，以及强制对文件进行pagecache和清除pagecache。这里主要使用了两个系统调用mincore和posix_fadvise。
例如查看文件file1的pagecache情况
linux-12:~/performance/testfile # /root/vmtouch file1
Files: 1
Directories: 0
Resident Pages: 302428/302428 1G/1G 100%
Elapsed: 0.025512 seconds
从这里可以看出，文件file1一共有302428个页面，全部都在内存里面。