page cache ,buffer cache,swap space

原文：http://blog.chinaunix.net/uid-8317394-id-1750963.html

前几天师兄问了一个问题，一个程序，需要读入文件，它第一次执行时间和第二次执行时间一样吗？将文件改名后呢，umount文件系统后再mount上呢？

这里实际上涉及到buffer cache ，page cache两个概念。
先解释一下
buffercache 也叫块缓冲，是对物理磁盘上的一个磁盘块进行的缓冲，其大小为通常为1k，磁盘块也是磁盘的组织单位。设立buffercache的目的是为在程序多次访问同一磁盘块时，减少访问时间。系统将磁盘块首先读入buffer cache如果cache空间不够时，会通过一定的策略将一些过时或多次未被访问的buffercache清空。程序在下一次访问磁盘时首先查看是否在buffer cache找到所需块，命中可减少访问磁盘时间。不命中时需重新读入buffercache。对buffer cache 的写分为两种，一是直接写，这是程序在写buffer cache后也写磁盘，要读时从buffercache 上读，二是后台写，程序在写完buffer cache后并不立即写磁盘，因为有可能程序在很短时间内又需要写文件，如果直接写，就需多次写磁盘了。这样效率很低，而是过一段时间后由后台写，减少了多次访磁盘的时间。
buffer cache 是由物理内存分配，linux系统为提高内存使用率，会将空闲内存全分给buffer cache ，当其他程序需要更多内存时，系统会减少cahce大小,

pagecache也叫页缓冲或文件缓冲，是由好几个磁盘块构成，大小通常为4k，在64位系统上为8k，构成的几个磁盘块在物理磁盘上不一定连续，文件的组织单位为一页，也就是一个page cache大小，文件读取是由外存上不连续的几个磁盘块，到buffer cache，然后组成pagecache，然后供给应用程序。

page cache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。具体说是加速对文件内容的访问，buffer cache缓存文件的具体内容——物理磁盘上的磁盘块，这是加速对磁盘的访问。

swapspace交换空间，是虚拟内存的表现形式。系统为了应付一些需要大量内存的应用，而将磁盘上的空间做内存使用，当物理内存不够用时，将其中一些暂时不需的数据交换到交换空间，也叫交换文件或页面文件中。做虚拟内存的好处是让进程以为好像可以访问整个系统物理内存。因为在一个进程访问数据时，其他进程的数据会被交换到交换空间中。

现在来分析问题，程序第一次执行时，读取文件过程，从磁盘读取到buffer cache 到pagecache再到应用程序的进程空间。第二次执行时由于buffercache中已经有了部分或全部的文件内容，这样执行时间就要减少些。当然这也要视情景而定，具体有很多。当文件改名后，其数据的物理地址未变，程序执行时通过文件指针仍能在内存上找到正确数据所以执行时间应该和第二次相同，但是umount文件系统后，这些buffer cache 和pagecache信息应该会删除，因为若重新挂载另一文件系统时，同样的文件名可能不对应同一个文件，所以这时执行时间应该和第一次一样。(个人看法，待修正)

linux中，应用程序访问文件也就是内核访问page cache的API有两种方式，1.通过VFS直接在不同文件的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7所示。

2，是通过VMM（虚拟内存管理）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8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PageCache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。
总的访问图如下。