深入理解 Linux 的 Page Cache
[導讀]↓推薦關注↓1.PageCache1.1PageCache是什么？為了理解PageCache，我們不妨先看一下Linux的文件I/O系統(tǒng)，如下圖所示：Figure1.Linux文件I/O系統(tǒng)上圖中，紅色部分為PageCache?？梢奝ageCache的本質是由Linux內核管理的...
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1. Page Cache
內核算法：Cached ?= files - SwapCached - Buffers；Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached公式推出來的Cached = Active(file) Inactive(file) Shmem - Buffers ；由此可見，這個Cached?并不等于Active(file) Inactive(file)?；這個cache包含很多 ：
為什么 Linux 不把 Page Cache 稱為 block cache，這不是更好嗎？這是因為從磁盤中加載到內存的數據不僅僅放在 Page Cache 中，還放在 buffer cache 中。例如通過 Direct I/O 技術的磁盤文件就不會進入 Page Cache 中。當然，這個問題也有 Linux 歷史設計的原因，畢竟這只是一個稱呼，含義隨著 Linux 系統(tǒng)的演進也逐漸不同。下面比較一下 File-backed pages 與 Anonymous pages 在 Swap 機制下的性能。內存是一種珍惜資源，當內存不夠用時，內存管理單元（Memory Mangament Unit）需要提供調度算法來回收相關內存空間。內存空間回收的方式通常就是 swap，即交換到持久化存儲設備上。File-backed pages（Page Cache）的內存回收代價較低。Page Cache 通常對應于一個文件上的若干順序塊，因此可以通過順序 I/O 的方式落盤。另一方面，如果 Page Cache 上沒有進行寫操作（所謂的沒有臟頁），甚至不會將 Page Cache 回盤，因為數據的內容完全可以通過再次讀取磁盤文件得到。Page Cache 的主要難點在于臟頁回盤，這個內容會在第二節(jié)進行詳細說明。Anonymous pages 的內存回收代價較高。這是因為 Anonymous pages 通常隨機地寫入持久化交換設備。另一方面，無論是否有更操作，為了確保數據不丟失，Anonymous pages 在 swap 時必須持久化到磁盤。
其中，cached 列表示當前的頁緩存（Page Cache）占用量，buffers 列表示當前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數據，buffer cache 用于緩存塊設備（如磁盤）的塊數據。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設備驅動程序同級的。Page Cache）占用量，buffers 列表示當前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數據，buffer cache 用于緩存塊設備（如磁盤）的塊數據。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設備驅動程序同級的。Page Cache 與 buffer cache 的共同目的都是加速數據 I/O：寫數據時首先寫到緩存，將寫入的頁標記為 dirty，然后向外部存儲 flush，也就是緩存寫機制中的 write-back（另一種是 write-through，Linux 默認情況下不采用）；讀數據時首先讀取緩存，如果未命中，再去外部存儲讀取，并且將讀取來的數據也加入緩存。操作系統(tǒng)總是積極地將所有空閑內存都用作 Page Cache 和 buffer cache，當內存不夠用時也會用 LRU 等算法淘汰緩存頁。在 Linux 2.4 版本的內核之前，Page Cache 與 buffer cache 是完全分離的。但是，塊設備大多是磁盤，磁盤上的數據又大多通過文件系統(tǒng)來組織，這種設計導致很多數據被緩存了兩次，浪費內存。所以在 2.4 版本內核之后，兩塊緩存近似融合在了一起：如果一個文件的頁加載到了 Page Cache，那么同時 buffer cache 只需要維護塊指向頁的指針就可以了。只有那些沒有文件表示的塊，或者繞過了文件系統(tǒng)直接操作（如dd命令）的塊，才會真正放到 buffer cache 里。因此，我們現(xiàn)在提起 Page Cache，基本上都同時指 Page Cache 和 buffer cache 兩者，本文之后也不再區(qū)分，直接統(tǒng)稱為 Page Cache。下圖近似地示出 32-bit Linux 系統(tǒng)中可能的一種 Page Cache 結構，其中 block size 大小為 1KB，page size 大小為 4KB。Page Cache 中的每個文件都是一棵基數樹（radix tree，本質上是多叉搜索樹），樹的每個節(jié)點都是一個頁。根據文件內的偏移量就可以快速定位到所在的頁，如下圖所示。關于基數樹的原理可以參見英文維基，這里就不細說了。
1.6 Page Cache 與預讀
操作系統(tǒng)為基于 Page Cache 的讀緩存機制提供預讀機制（PAGE_READAHEAD），一個例子是：
下圖代表了操作系統(tǒng)的預讀機制：操作系統(tǒng)的預讀機制
上圖中，應用程序利用 read 系統(tǒng)調動讀取 4KB 數據，實際上內核使用 readahead 機制完成了 16KB 數據的讀取。
1. Page Cache
1.1 Page Cache 是什么？
為了理解 Page Cache，我們不妨先看一下 Linux 的文件 I/O 系統(tǒng)，如下圖所示：Figure1. Linux 文件 I/O 系統(tǒng)上圖中，紅色部分為 Page Cache?？梢?Page Cache 的本質是由 Linux 內核管理的內存區(qū)域。我們通過 mmap 以及 buffered I/O 將文件讀取到內存空間實際上都是讀取到 Page Cache 中。
1.2 如何查看系統(tǒng)的 Page Cache？
通過讀取?/proc/meminfo?文件，能夠實時獲取系統(tǒng)內存情況：$ cat /proc/meminfo
...
Buffers: 1224 kB
Cached: 111472 kB
SwapCached: 36364 kB
Active: 6224232 kB
Inactive: 979432 kB
Active(anon): 6173036 kB
Inactive(anon): 927932 kB
Active(file): 51196 kB
Inactive(file): 51500 kB
...
Shmem: 10000 kB
...
SReclaimable: 43532 kB
...
根據上面的數據，你可以簡單得出這樣的公式（等式兩邊之和都是 112696 KB）：Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached
兩邊等式都是 Page Cache，即：Page Cache = Buffers Cached SwapCached
通過閱讀 1.4 以及 1.5 小節(jié)，就能夠理解為什么 SwapCached 與 Buffers 也是 Page Cache 的一部分。題外話，小伙伴答案：內核計算源碼（linux 2.6.19）：內核算法：Cached ?= files - SwapCached - Buffers；Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached公式推出來的Cached = Active(file) Inactive(file) Shmem - Buffers ；由此可見，這個Cached?并不等于Active(file) Inactive(file)?；這個cache包含很多 ：
- 含有普通文件數據的頁‘；
- 含有目錄的頁；
- 含有直接從塊設備文件(跳過文件系統(tǒng))讀出的數據的頁；
- 含有用戶態(tài)進程數據的頁；
- 屬于特殊文件系統(tǒng)文件的頁，如shm；
1.3 page 與 Page Cache
page 是內存管理分配的基本單位， Page Cache 由多個 page 構成。page 在操作系統(tǒng)中通常為 4KB 大?。?2bits/64bits），而 Page Cache 的大小則為 4KB 的整數倍。另一方面，并不是所有 page 都被組織為 Page Cache。Linux 系統(tǒng)上供用戶可訪問的內存分為兩個類型[2]，即：- File-backed pages：文件備份頁也就是 Page Cache 中的 page，對應于磁盤上的若干數據塊；對于這些頁最大的問題是臟頁回盤；
- Anonymous pages：匿名頁不對應磁盤上的任何磁盤數據塊，它們是進程的運行是內存空間（例如方法棧、局部變量表等屬性）；
為什么 Linux 不把 Page Cache 稱為 block cache，這不是更好嗎？這是因為從磁盤中加載到內存的數據不僅僅放在 Page Cache 中，還放在 buffer cache 中。例如通過 Direct I/O 技術的磁盤文件就不會進入 Page Cache 中。當然，這個問題也有 Linux 歷史設計的原因，畢竟這只是一個稱呼，含義隨著 Linux 系統(tǒng)的演進也逐漸不同。下面比較一下 File-backed pages 與 Anonymous pages 在 Swap 機制下的性能。內存是一種珍惜資源，當內存不夠用時，內存管理單元（Memory Mangament Unit）需要提供調度算法來回收相關內存空間。內存空間回收的方式通常就是 swap，即交換到持久化存儲設備上。File-backed pages（Page Cache）的內存回收代價較低。Page Cache 通常對應于一個文件上的若干順序塊，因此可以通過順序 I/O 的方式落盤。另一方面，如果 Page Cache 上沒有進行寫操作（所謂的沒有臟頁），甚至不會將 Page Cache 回盤，因為數據的內容完全可以通過再次讀取磁盤文件得到。Page Cache 的主要難點在于臟頁回盤，這個內容會在第二節(jié)進行詳細說明。Anonymous pages 的內存回收代價較高。這是因為 Anonymous pages 通常隨機地寫入持久化交換設備。另一方面，無論是否有更操作，為了確保數據不丟失，Anonymous pages 在 swap 時必須持久化到磁盤。
1.4 Swap 與缺頁中斷
Swap 機制指的是當物理內存不夠用，內存管理單元（Memory Mangament Unit）需要提供調度算法來回收相關內存空間，然后將清理出來的內存空間給當前內存申請方。Swap 機制存在的本質原因是 Linux 系統(tǒng)提供了虛擬內存管理機制，每一個進程認為其獨占內存空間，因此所有進程的內存空間之和遠遠大于物理內存。所有進程的內存空間之和超過物理內存的部分就需要交換到磁盤上。操作系統(tǒng)以 page 為單位管理內存，當進程發(fā)現(xiàn)需要訪問的數據不在內存時，操作系統(tǒng)可能會將數據以頁的方式加載到內存中。上述過程被稱為缺頁中斷，當操作系統(tǒng)發(fā)生缺頁中斷時，就會通過系統(tǒng)調用將 page 再次讀到內存中。但主內存的空間是有限的，當主內存中不包含可以使用的空間時，操作系統(tǒng)會從選擇合適的物理內存頁驅逐回磁盤，為新的內存頁讓出位置，選擇待驅逐頁的過程在操作系統(tǒng)中叫做頁面替換（Page Replacement），替換操作又會觸發(fā) swap 機制。如果物理內存足夠大，那么可能不需要 Swap 機制，但是 Swap 在這種情況下還是有一定優(yōu)勢：對于有發(fā)生內存泄漏幾率的應用程序（進程），Swap 交換分區(qū)更是重要，這可以確保內存泄露不至于導致物理內存不夠用，最終導致系統(tǒng)崩潰。但內存泄露會引起頻繁的 swap，此時非常影響操作系統(tǒng)的性能。Linux 通過一個 swappiness 參數來控制 Swap 機制[2]：這個參數值可為 0-100，控制系統(tǒng) swap 的優(yōu)先級：- 高數值：較高頻率的 swap，進程不活躍時主動將其轉換出物理內存。
- 低數值：較低頻率的 swap，這可以確保交互式不因為內存空間頻繁地交換到磁盤而提高響應延遲。
Figure2. 匿名頁的被交換后也是 Page Cache
1.5 Page Cache 與 buffer cache
執(zhí)行 free 命令，注意到會有兩列名為 buffers 和 cached，也有一行名為 “-/ buffers/cache”。~ free -m
total used free shared buffers cached
Mem: 128956 96440 32515 0 5368 39900
-/ buffers/cache: 51172 77784
Swap: 16002 0 16001其中，cached 列表示當前的頁緩存（Page Cache）占用量，buffers 列表示當前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數據，buffer cache 用于緩存塊設備（如磁盤）的塊數據。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設備驅動程序同級的。Page Cache）占用量，buffers 列表示當前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數據，buffer cache 用于緩存塊設備（如磁盤）的塊數據。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設備驅動程序同級的。Page Cache 與 buffer cache 的共同目的都是加速數據 I/O：寫數據時首先寫到緩存，將寫入的頁標記為 dirty，然后向外部存儲 flush，也就是緩存寫機制中的 write-back（另一種是 write-through，Linux 默認情況下不采用）；讀數據時首先讀取緩存，如果未命中，再去外部存儲讀取，并且將讀取來的數據也加入緩存。操作系統(tǒng)總是積極地將所有空閑內存都用作 Page Cache 和 buffer cache，當內存不夠用時也會用 LRU 等算法淘汰緩存頁。在 Linux 2.4 版本的內核之前，Page Cache 與 buffer cache 是完全分離的。但是，塊設備大多是磁盤，磁盤上的數據又大多通過文件系統(tǒng)來組織，這種設計導致很多數據被緩存了兩次，浪費內存。所以在 2.4 版本內核之后，兩塊緩存近似融合在了一起：如果一個文件的頁加載到了 Page Cache，那么同時 buffer cache 只需要維護塊指向頁的指針就可以了。只有那些沒有文件表示的塊，或者繞過了文件系統(tǒng)直接操作（如dd命令）的塊，才會真正放到 buffer cache 里。因此，我們現(xiàn)在提起 Page Cache，基本上都同時指 Page Cache 和 buffer cache 兩者，本文之后也不再區(qū)分，直接統(tǒng)稱為 Page Cache。下圖近似地示出 32-bit Linux 系統(tǒng)中可能的一種 Page Cache 結構，其中 block size 大小為 1KB，page size 大小為 4KB。Page Cache 中的每個文件都是一棵基數樹（radix tree，本質上是多叉搜索樹），樹的每個節(jié)點都是一個頁。根據文件內的偏移量就可以快速定位到所在的頁，如下圖所示。關于基數樹的原理可以參見英文維基，這里就不細說了。
1.6 Page Cache 與預讀
操作系統(tǒng)為基于 Page Cache 的讀緩存機制提供預讀機制（PAGE_READAHEAD），一個例子是：- 用戶線程僅僅請求讀取磁盤上文件 A 的 offset 為 0-3KB 范圍內的數據，由于磁盤的基本讀寫單位為 block（4KB），于是操作系統(tǒng)至少會讀 0-4KB 的內容，這恰好可以在一個 page 中裝下。
- 但是操作系統(tǒng)出于局部性原理[3]會選擇將磁盤塊 offset [4KB,8KB)、[8KB,12KB) 以及 [12KB,16KB) 都加載到內存，于是額外在內存中申請了 3 個 page；
下圖代表了操作系統(tǒng)的預讀機制：操作系統(tǒng)的預讀機制
上圖中，應用程序利用 read 系統(tǒng)調動讀取 4KB 數據，實際上內核使用 readahead 機制完成了 16KB 數據的讀取。
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