Page Cache

一、page cache簡介

page cache，又稱pcache，其中文名稱為頁高速緩衝存儲器，簡稱頁高緩。page cache的大小為一頁，通常為4K。在linux讀寫文件時，它用於緩存文件的邏輯內容，從而加快對磁碟上映像和數據的訪問。

二、page cache的功能詳解

在從外存的一頁到內存的一頁的映射過程中，page cache與Buffer Cache、swap cache共同實現了高速緩存功能，以下是其簡單映射圖，

外存的一頁(分解為幾塊，可能不連續)

|

|

物理磁碟的磁碟塊

|

|

內存的buffer cache

|

|

內存的一頁(由一個頁框劃分的幾個連續buffer cache構成)

|

|

頁高緩系統

在這個過程中，內存管理系統和VFS與page cache交互，內存管理系統負責維護每項page cache的分配和回收，同時在使用memory map方式訪問時負責建立映射；VFS負責page cache與用戶空間的數據交換。

三、page cache的管理

在Linux內核中，文件的每個數據塊最多只能對應一個page cache項，它通過兩個數據結構來管理這些cache項，一個是radix tree，另一個是雙向鏈表。

Radix tree是一種搜索樹，Linux內核利用這個數據結構，快速查找髒的(dirty)和回寫的（writeback）頁面，得到其文件內偏移，從而對page cache進行快速定位。圖1是radix tree的一個示意圖，該radix tree的分叉為4(22)，樹高為4，用來快速定位8位文件內偏移。

另一個數據結構是雙向鏈表，Linux內核為每一片物理內存區域(zone)維護active_list和 inactive_list兩個雙向鏈表，這兩個list主要用來實現物理內存的回收。這兩個鏈表上除了文件Cache之外，還包括其它匿名 (Anonymous)內存，如進程堆棧等。

四、page cache相關API及其實現

Linux內核中與文件Cache操作相關的API有很多，按其使用方式可以分成兩類：一類是以拷貝方式操作的相關介面，如read/write/sendfile等，其中sendfile在2.6系列的內核中已經不再支持；另一類是以地址映射方式操作的相關介面，如mmap等。

第一種類型的API在不同文件的Cache之間或者Cache與應用程序所提供的用戶空間buffer之間拷貝數據，其實現原理如圖2所示。

第二種類型的API將Cache項映射到用戶空間，使得應用程序可以像使用內存指針一樣訪問文件，Memory map訪問Cache的方式在內核中是採用請求頁面機制實現的，其工作過程如圖3所示。

首先，應用程序調用mmap（圖中1），陷入到內核中后調用do_mmap_pgoff（圖中2）。該函數從應用程序的地址空間中分配一段區域作為映射的內存地址，並使用一個VMA（vm_area_struct）結構代表該區域，之後就返回到應用程序（圖中3）。當應用程序訪問mmap所返回的地址指針時（圖中4），由於虛實映射尚未建立，會觸發缺頁中斷（圖中5）。之後系統會調用缺頁中斷處理函數（圖中6），在缺頁中斷處理函數中，內核通過相應區域的 VMA結構判斷出該區域屬於文件映射，於是調用具體文件系統的介面讀入相應的Page Cache項（圖中7、8、9），並填寫相應的虛實映射表。經過這些步驟之後，應用程序就可以正常訪問相應的內存區域了。

add_page_to_hash_queue

add_page_to_inode_queue

remove_page_from_inode_queue

remove_page_from_hash_queue

__remove_inode_page

remove_inode_page

add_to_page_cache_locked

__add_to_page_cache

僅羅列函數add_page_to_hash_queue,以示完整:

color=green>

static void add_page_to_hash_queue(struct page * page, struct page **p)

{

struct page *next = *p;

*p = page;

page->next_hash = next;

page->pprev_hash = p;

if (next)

next->pprev_hash = &page->next_hash;

if (page->buffers)

PAGE_BUG(page);

atomic_inc(&page_cache_size);

}

page cache 在代碼中又稱 inode page cache, 足以顯示page cache 和inode緊密關聯。加入page cache 和加入inode cache是同一個意思。加入page cache意味著同時加入page cache hash表和inode queue(也建立了page和addr sapce的關係). 見函數add_to_page_cache_locked,__add_to_page_cache即可取證。從page cache 刪除在程序中叫__remove_inode_page,再次顯示inode 和page cache的"一體化".