一文看懂 | 什么是頁緩存（Page Cache）
我們知道文件一般存放在硬盤（機械硬盤或固態(tài)硬盤）中，CPU 并不能直接訪問硬盤中的數(shù)據(jù)，而是需要先將硬盤中的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，然后才能被 CPU 訪問。
由于讀寫硬盤的速度比讀寫內(nèi)存要慢很多（DDR4 內(nèi)存讀寫速度是機械硬盤500倍，是固態(tài)硬盤的200倍），所以為了避免每次讀寫文件時，都需要對硬盤進行讀寫操作，Linux 內(nèi)核使用 頁緩存（Page Cache） 機制來對文件中的數(shù)據(jù)進行緩存。
本文使用的 Linux 內(nèi)核版本為：Linux-2.6.23
什么是頁緩存
為了提升對文件的讀寫效率，Linux 內(nèi)核會以頁大?。?KB）為單位，將文件劃分為多數(shù)據(jù)塊。當用戶對文件中的某個數(shù)據(jù)塊進行讀寫操作時，內(nèi)核首先會申請一個內(nèi)存頁（稱為 頁緩存）與文件中的數(shù)據(jù)塊進行綁定。如下圖所示：
如上圖所示，當用戶對文件進行讀寫時，實際上是對文件的 頁緩存 進行讀寫。所以對文件進行讀寫操作時，會分以下兩種情況進行處理：
當從文件中讀取數(shù)據(jù)時，如果要讀取的數(shù)據(jù)所在的頁緩存已經(jīng)存在，那么就直接把頁緩存的數(shù)據(jù)拷貝給用戶即可。否則，內(nèi)核首先會申請一個空閑的內(nèi)存頁（頁緩存），然后從文件中讀取數(shù)據(jù)到頁緩存，并且把頁緩存的數(shù)據(jù)拷貝給用戶。 當向文件中寫入數(shù)據(jù)時，如果要寫入的數(shù)據(jù)所在的頁緩存已經(jīng)存在，那么直接把新數(shù)據(jù)寫入到頁緩存即可。否則，內(nèi)核首先會申請一個空閑的內(nèi)存頁（頁緩存），然后從文件中讀取數(shù)據(jù)到頁緩存，并且把新數(shù)據(jù)寫入到頁緩存中。對于被修改的頁緩存，內(nèi)核會定時把這些頁緩存刷新到文件中。
頁緩存的實現(xiàn)
前面主要介紹了頁緩存的作用和原理，接下來我們將會分析 Linux 內(nèi)核是怎么實現(xiàn)頁緩存機制的。
1. address_space
在 Linux 內(nèi)核中，使用 file 對象來描述一個被打開的文件，其中有個名為 f_mapping 的字段，定義如下：
struct file {
...
struct address_space *f_mapping;
};
從上面代碼可以看出，f_mapping 字段的類型為 address_space 結(jié)構(gòu)，其定義如下：
struct address_space {
struct inode *host; /* owner: inode, block_device */
struct radix_tree_root page_tree; /* radix tree of all pages */
rwlock_t tree_lock; /* and rwlock protecting it */
...
};
address_space 結(jié)構(gòu)其中的一個作用就是用于存儲文件的 頁緩存，下面介紹一下各個字段的作用：
host：指向當前address_space對象所屬的文件inode對象（每個文件都使用一個inode對象表示）。page_tree：用于存儲當前文件的頁緩存。tree_lock：用于防止并發(fā)訪問page_tree導(dǎo)致的資源競爭問題。
從 address_space 對象的定義可以看出，文件的 頁緩存 使用了 radix樹 來存儲。
radix樹：又名基數(shù)樹，它使用鍵值（key-value）對的形式來保存數(shù)據(jù)，并且可以通過鍵快速查找到其對應(yīng)的值。內(nèi)核以文件讀寫操作中的數(shù)據(jù)偏移量作為鍵，以數(shù)據(jù)偏移量所在的頁緩存作為值，存儲在address_space結(jié)構(gòu)的page_tree字段中。
下圖展示了上述各個結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：
如果對 radix樹 不太了解，可以簡單將其看成可以通過文件偏移量快速找到其所在 頁緩存 的結(jié)構(gòu)，有機會我會另外寫一篇關(guān)于 radix樹 的文章。
2. 讀文件操作
現(xiàn)在我們來分析一下讀取文件數(shù)據(jù)的過程，用戶可以通過調(diào)用 read 系統(tǒng)調(diào)用來讀取文件中的數(shù)據(jù)，其調(diào)用鏈如下：
read()
└→ sys_read()
└→ vfs_read()
└→ do_sync_read()
└→ generic_file_aio_read()
└→ do_generic_file_read()
└→ do_generic_mapping_read()
從上面的調(diào)用鏈可以看出，read 系統(tǒng)調(diào)用最終會調(diào)用 do_generic_mapping_read 函數(shù)來讀取文件中的數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)如下：
void
do_generic_mapping_read(struct address_space *mapping,
struct file_ra_state *_ra,
struct file *filp,
loff_t *ppos,
read_descriptor_t *desc,
read_actor_t actor)
{
struct inode *inode = mapping->host;
unsigned long index;
struct page *cached_page;
...
cached_page = NULL;
index = *ppos >> PAGE_CACHE_SHIFT;
...
for (;;) {
struct page *page;
...
find_page:
// 1. 查找文件偏移量所在的頁緩存是否存在
page = find_get_page(mapping, index);
if (!page) {
...
// 2. 如果頁緩存不存在, 那么跳到 no_cached_page 進行處理
goto no_cached_page;
}
...
page_ok:
...
// 3. 如果頁緩存存在, 那么把頁緩存的數(shù)據(jù)拷貝到用戶應(yīng)用程序的內(nèi)存中
ret = actor(desc, page, offset, nr);
...
if (ret == nr && desc->count)
continue;
goto out;
...
readpage:
// 4. 從文件讀取數(shù)據(jù)到頁緩存中
error = mapping->a_ops->readpage(filp, page);
...
goto page_ok;
...
no_cached_page:
if (!cached_page) {
// 5. 申請一個內(nèi)存頁作為頁緩存
cached_page = page_cache_alloc_cold(mapping);
...
}
// 6. 把新申請的頁緩存添加到文件頁緩存中
error = add_to_page_cache_lru(cached_page, mapping, index, GFP_KERNEL);
...
page = cached_page;
cached_page = NULL;
goto readpage;
}
out:
...
}
do_generic_mapping_read 函數(shù)的實現(xiàn)比較復(fù)雜，經(jīng)過精簡后，上面代碼只留下最重要的邏輯，可以歸納為以下幾個步驟：
通過調(diào)用 find_get_page函數(shù)查找要讀取的文件偏移量所對應(yīng)的頁緩存是否存在，如果存在就把頁緩存中的數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序的內(nèi)存中。否則調(diào)用 page_cache_alloc_cold函數(shù)申請一個空閑的內(nèi)存頁作為新的頁緩存，并且通過調(diào)用add_to_page_cache_lru函數(shù)把新申請的頁緩存添加到文件頁緩存和 LRU 隊列中（后面會介紹）。通過調(diào)用 readpage接口從文件中讀取數(shù)據(jù)到頁緩存中，并且把頁緩存的數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序的內(nèi)存中。
從上面代碼可以看出，當頁緩存不存在時會申請一塊空閑的內(nèi)存頁作為頁緩存，并且通過調(diào)用 add_to_page_cache_lru 函數(shù)把其添加到文件的頁緩存和 LRU 隊列中。我們來看看 add_to_page_cache_lru 函數(shù)的實現(xiàn)：
int add_to_page_cache_lru(struct page *page, struct address_space *mapping,
pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
// 1. 把頁緩存添加到文件頁緩存中
int ret = add_to_page_cache(page, mapping, offset, gfp_mask);
if (ret == 0)
lru_cache_add(page); // 2. 把頁緩存添加到 LRU 隊列中
return ret;
}
add_to_page_cache_lru 函數(shù)主要完成兩個工作：
通過調(diào)用 add_to_page_cache函數(shù)把頁緩存添加到文件頁緩存中，也就是添加到address_space結(jié)構(gòu)的page_tree字段中。通過調(diào)用 lru_cache_add函數(shù)把頁緩存添加到 LRU 隊列中。LRU 隊列用于當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，對頁緩存進行清理時使用。
總結(jié)
本文主要介紹了 頁緩存 的作用和原理，并且介紹了在讀取文件數(shù)據(jù)時對頁緩存的處理過程。本文并沒有介紹寫文件操作對應(yīng)的頁緩存處理和當系統(tǒng)內(nèi)存不足時怎么釋放頁緩存，有興趣的話可以自行閱讀相關(guān)的代碼實現(xiàn)。