主要内容：
- 缓存简介
- 页高速缓存
- 页回写
1. 缓存简介
在编程中，缓存是很常见也很有效的一种提高程序性能的机制。
linux内核也不例外，为了提高I/O性能，也引入了缓存机制，即将一部分磁盘上的数据缓存到内存中。
1.1 原理
之所以通过缓存能提高I/O性能是基于以下2个重要的原理：
- CPU访问内存的速度远远大于访问磁盘的速度（访问速度差距不是一般的大，差好几个数量级）
- 数据一旦被访问，就有可能在短期内再次被访问（临时局部原理）
1.2 策略
缓存的创建和读取没什么好说的，无非就是检查缓存是否存在要创建或者要读取的内容。
但是写缓存和缓存回收就需要好好考虑了，这里面涉及到「缓存内容」和「磁盘内容」同步的问题。
1.2.1 「写缓存」常见的有3种策略
- 不缓存(nowrite) :: 也就是不缓存写操作，当对缓存中的数据进行写操作时，直接写入磁盘，同时使此数据的缓存失效
- 写透缓存(write-through) :: 写数据时同时更新磁盘和缓存
- 回写(copy-write or write-behind) :: 写数据时直接写到缓存，由另外的进程(回写进程)在合适的时候将数据同步到磁盘
3种策略的优缺点如下：
|
策略 |
复杂度 |
性能 |
| 不缓存 | 简单 | 缓存只用于读，对于写操作较多的I/O，性能反而会下降 |
| 写透缓存 | 简单 | 提升了读性能，写性能反而有些下降(除了写磁盘，还要写缓存) |
| 回写 | 复杂 | 读写的性能都有提高(目前内核中采用的方法) |
1.2.2 「缓存回收」的策略
- 最近最少使用(LRU) :: 每个缓存数据都有个时间戳，保存最近被访问的时间。回收缓存时首先回收时间戳较旧的数据。
- 双链策略(LRU/2) :: 基于LRU的改善策略。具体参见下面的补充说明
补充说明(双链策略):
双链策略其实就是 LRU(Least Recently Used) 算法的改进版。
它通过2个链表(活跃链表和非活跃链表)来模拟LRU的过程，目的是为了提高页面回收的性能。
页面回收动作发生时，从非活跃链表的尾部开始回收页面。
双链策略的关键就是页面如何在2个链表之间移动的。
双链策略中，每个页面都有2个标志位，分别为
PG_active - 标志页面是否活跃，也就是表示此页面是否要移动到活跃链表
PG_referenced - 表示页面是否被进程访问到
页面移动的流程如下：
- 当页面第一次被被访问时，PG_active 置为1，加入到活动链表
- 当页面再次被访问时，PG_referenced 置为1，此时如果页面在非活动链表，则将其移动到活动链表，并将PG_active置为1，PG_referenced 置为0
- 系统中 daemon 会定时扫描活动链表，定时将页面的 PG_referenced 位置为0
- 系统中 daemon 定时检查页面的 PG_referenced，如果 PG_referenced=0，那么将此页面的 PG_active 置为0，同时将页面移动到非活动链表
2. 页高速缓存
故名思义，页高速缓存中缓存的最小单元就是内存页。
但是此内存页对应的数据不仅仅是文件系统的数据，可以是任何基于页的对象，包括各种类型的文件和内存映射。
2.1 简介
页高速缓存缓存的是具体的物理页面，与前面章节中提到的虚拟内存空间(vm_area_struct)不同，假设有进程创建了多个 vm_area_struct 都指向同一个文件，
那么这个 vm_area_struct 对应的 页高速缓存只有一份。
也就是磁盘上的文件缓存到内存后，它的虚拟内存地址可以有多个，但是物理内存地址却只能有一个。
为了有效提高I/O性能，页高速缓存要需要满足以下条件：
- 能够快速检索需要的内存页是否存在
- 能够快速定位 脏页面(也就是被写过，但还没有同步到磁盘上的数据)
- 页高速缓存被并发访问时，尽量减少并发锁带来的性能损失
下面通过分析内核中的相应的结构体，来了解内核是如何提高 I/O性能的。
2.2 实现
实现页高速缓存的最重要的结构体要算是 address_space ，在 <linux/fs.h> 中
struct address_space { struct inode *host; /* 拥有此 address_space 的inode对象 */ struct radix_tree_root page_tree; /* 包含全部页面的 radix 树 */ spinlock_t tree_lock; /* 保护 radix 树的自旋锁 */ unsigned int i_mmap_writable;/* VM_SHARED 计数 */ struct prio_tree_root i_mmap; /* 私有映射链表的树 */ struct list_head i_mmap_nonlinear;/* VM_NONLINEAR 链表 */ spinlock_t i_mmap_lock; /* 保护 i_map 的自旋锁 */ unsigned int truncate_count; /* 截断计数 */ unsigned long nrpages; /* 总页数 */ pgoff_t writeback_index;/* 回写的起始偏移 */ const struct address_space_operations *a_ops; /* address_space 的操作表 */ unsigned long flags; /* gfp_mask 掩码与错误标识 */ struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* 预读信息 */ spinlock_t private_lock; /* 私有 address_space 自旋锁 */ struct list_head private_list; /* 私有 address_space 链表 */ struct address_space *assoc_mapping; /* 缓冲 */ struct mutex unmap_mutex; /* 保护未映射页的 mutux 锁 */ } __attribute__((aligned(sizeof(long))));