【Note】《深入理解Linux内核》 Chapter 15 ：深入理解 Linux 页缓存

《深入理解Linux内核》 Chapter 15 ：深入理解 Linux 页缓存

关键词：页缓存、address_space、radix tree、page、writeback、dirty page、mmap、文件系统缓存、文件 I/O 性能优化、direct I/O

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一、页缓存是什么？为什么重要？

1.1 定义

页缓存（page cache）是 Linux 内核用于缓存文件内容的内存区域，避免每次文件读写都访问磁盘。

1.2 页缓存的核心目的

• 降低 I/O 延迟；
• 提高磁盘访问效率；
• 减少重复读取；
• 支持延迟写回（writeback）；
• 提供内存映射（mmap）机制。

1.3 页缓存的表现形式

• 文件通过 read()、write()、mmap() 访问；
• 文件数据页在页缓存中存在；
• 数据在页缓存中被标记为 clean（干净）或 dirty（脏页）；
• 脏页会被后台线程回写到磁盘。

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二、页缓存的关键数据结构

页缓存建立在以下三个核心结构之上：

2.1 struct page

表示系统中的一页物理内存，页缓存的基本单位：

struct page {
    unsigned long flags;
    atomic_t _count;
    void *mapping;
    pgoff_t index;
    ...
};

• flags：标志位（如 PG_dirty、PG_locked）；
• mapping：指向所属的 address_space；
• index：页在文件中的偏移页号（单位为页）。

2.2 struct address_space

每个文件都有一个 address_space 结构，管理它的所有缓存页：

struct address_space {
    struct inode *host;
    struct radix_tree_root page_tree;
    unsigned long nrpages;
    const struct address_space_operations *a_ops;
    ...
};

• page_tree：以页号为 key 的 radix tree（基数树），实现高效查找；
• a_ops：操作方法集（如 readpage、writepage）。

2.3 struct address_space_operations

为页缓存提供访问操作的接口：

struct address_space_operations {
    int (*readpage)(struct file *, struct page *);
    int (*writepage)(struct page *, struct writeback_control *);
    ...
};

• 由具体文件系统（如 ext4）实现；
• 页缓存管理不直接读写磁盘，而是调用这些函数。

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三、页缓存生命周期与文件访问流程

3.1 读流程（read）

sys_read()
 └── vfs_read()
     └── generic_file_read_iter()
         └── filemap_read()
             └── pagecache_get_page()  // 查找或分配页
             └── ->a_ops->readpage()  // 页面未命中时触发

流程说明：

1. 读取页缓存（radix tree 查询）；
2. 若不存在，则通过 readpage 填充；
3. 将页内容复制到用户空间缓冲区。

3.2 写流程（write）

sys_write()
 └── vfs_write()
     └── generic_file_write_iter()
         └── filemap_write()
             └── pagecache_get_page()  // 查找页
             └── copy_from_user()      // 写入页缓存
             └── set_page_dirty()

流程说明：

1. 查找目标页；
2. 若页不存在则分配；
3. 将用户数据拷贝入页；
4. 将页标记为 dirty。

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四、脏页管理与回写机制（Writeback）

4.1 脏页定义

修改后的页被标记为 dirty（PG_dirty），需要回写到磁盘以保证数据一致性。

4.2 回写路径

由后台线程或显式触发：

flush_dirty_pages()
 └── writeback_inodes()
     └── ->a_ops->writepage()

常见触发方式：

• 系统空闲时；
• 调用 sync()、fsync()；
• 达到内存压力阈值；
• 定期写回机制（dirty_expire_centisecs）。

4.3 脏页控制参数

• /proc/sys/vm/dirty_ratio：最大脏页占比；
• /proc/sys/vm/dirty_background_ratio：达到该比例时触发后台写回；
• /proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs：后台写回周期；
• /proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs：判断页是否过期。

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五、内存映射 I/O（mmap）与页缓存

5.1 mmap 简介

将文件内容直接映射到用户地址空间，实现高效访问：

void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

5.2 mmap 与页缓存的关联

• mmap 会将页缓存页直接映射到用户地址空间；
• 读写数据不再经过 read()/write()，而是直接访问页；
• 修改后页也会被标记为 dirty。

5.3 写回机制

• msync()：手动同步映射数据到磁盘；
• munmap()：取消映射可能触发写回；
• madvise()：优化页面使用行为（如提前释放）。

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六、页缓存与块设备/文件系统协作

6.1 页缓存在文件系统中的地位

• 页缓存维护每个 inode 的缓存；
• 使用 address_space 统一访问接口；
• 文件系统提供底层磁盘操作方法。

6.2 文件系统对接方式

• 负责实现 readpage() / writepage() 等；
• 例如 ext4 在 fs/ext4/inode.c 中实现对应方法；
• 页缓存自动调度，文件系统实现数据同步。

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七、直接 I/O（Direct I/O）绕过页缓存

7.1 定义

某些场景（数据库、日志）不希望缓存数据，直接对磁盘读写，称为 Direct I/O。

7.2 使用方式

open("file", O_DIRECT);

7.3 特性

• 绕过页缓存；
• 用户缓冲区需对齐；
• 对性能敏感程序更有用；
• 但不再享受缓存带来的性能提升。

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八、页缓存回收与清理

8.1 页回收机制

• Linux 使用 LRU（最近最少使用）算法维护页状态；
• 分为 active/inactive 两级列表；
• 页面在使用中被提升，空闲时被回收。

8.2 清理命令与技巧

• sync：触发全局写回；
• echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches：丢弃页缓存、目录项、inode 缓存；
• vmstat / top / free：查看内存使用情况；
• perf record -e 跟踪 writeback 情况。

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九、写时复制（COW）机制与共享页

• 多个进程通过 mmap 映射同一文件时可共享页；
• 若进程写入，触发 COW 分离复制；
• 提高效率、减少内存占用。

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十、页缓存与性能优化建议

• 利用缓存延迟写，减少同步阻塞；
• 使用 O_DIRECT 提高高吞吐任务性能；
• 合理配置 dirty_* 参数减少卡顿；
• 定期回写可避免突然 IO 峰值。

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十一、源码路径参考

路径	说明
mm/filemap.c	页缓存读取与写入核心逻辑
mm/page-writeback.c	回写机制实现
fs/buffer.c	文件系统缓存页管理
include/linux/page-flags.h	页状态标志位
include/linux/address_space.h	address_space 定义

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十二、小结

• 页缓存是提升 Linux 文件访问性能的核心机制；
• 通过 address_space 管理每个 inode 的页面；
• 读写系统调用和 mmap 都利用页缓存；
• 写回机制由后台线程或显式触发；
• 文件系统负责底层 IO，页缓存提供统一访问层；
• 参数调优可显著提升 IO 表现。