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Page Cache

王朝百科·作者佚名  2010-02-22
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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。

 
 
 
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