PageCache
概述
Page cache是通过将磁盘中的数据缓存到内存中,从而减少磁盘I/O操作,从而提高性能。此外,还要确保在page cache中的数据更改时能够被同步到磁盘上,后者被称为page回写(page writeback)。一个inode对应一个page cache对象,一个page cache对象包含多个物理page。
对磁盘的数据进行缓存从而提高性能主要是基于两个因素:第一,磁盘访问的速度比内存慢好几个数量级(毫秒和纳秒的差距)。第二是被访问过的数据,有很大概率会被再次访问。
Page Cache
Page cache由内存中的物理page组成,其内容对应磁盘上的block。page cache的大小是动态变化的,可以扩大,也可以在内存不足时缩小。cache缓存的存储设备被称为后备存储(backing store),注意我们在block I/O一文中提到的:一个page通常包含多个block,这些block不一定是连续的。
块设备是一种以块(block)为单位可以进行随机存取的硬件设备。常见的块设备有硬盘,软盘,闪存等。
块设备的最小寻址单元是扇区(sector),一个扇区是$2^n$个字节,512Bytes是最常见的扇区大小。内核的文件系统使用块(block)作为最小寻址单元。block的大小是sector的$2^n$次方倍(n可以为0),但是不大于page size. 常见的block大小为512Bytes,1KB,4KB。
层级关系 page cache -> page -> block -> sector
读Cache
当内核发起一个读请求时(例如进程发起read()请求),首先会检查请求的数据是否缓存到了page cache中,如果有,那么直接从内存中读取,不需要访问磁盘,这被称为cache命中(cache hit)。如果cache中没有请求的数据,即cache未命中(cache miss),就必须从磁盘中读取数据。然后内核将读取的数据缓存到cache中,这样后续的读请求就可以命中cache了。page可以只缓存一个文件部分的内容,不需要把整个文件都缓存进来。
写Cache
当内核发起一个写请求时(例如进程发起write()请求),同样是直接往cache中写入,后备存储中的内容不会直接更新。内核会将被写入的page标记为dirty,并将其加入dirty list中。内核会周期性地将dirty list中的page写回到磁盘上,从而使磁盘上的数据和内存中缓存的数据一致。
Cache回收
Page cache的另一个重要工作是释放page,从而释放内存空间。cache回收的任务是选择合适的page释放,并且如果page是dirty的,需要将page写回到磁盘中再释放。理想的做法是释放距离下次访问时间最久的page,但是很明显,这是不现实的。下面先介绍LRU算法,然后介绍基于LRU改进的Two-List策略,后者是Linux使用的策略。
LRU算法
LRU(least rencently used)算法是选择最近一次访问时间最靠前的page,即干掉最近没被光顾过的page。原始LRU算法存在的问题是,有些文件只会被访问一次,但是按照LRU的算法,即使这些文件以后再也不会被访问了,但是如果它们是刚刚被访问的,就不会被选中。
Two-List策略
Two-List策略维护了两个list,active list 和 inactive list。在active list上的page被认为是hot的,不能释放。只有inactive list上的page可以被释放的。首次缓存的数据的page会被加入到inactive list中,已经在inactive list中的page如果再次被访问,就会移入active list中。两个链表都使用了伪LRU算法维护,新的page从尾部加入,移除时从头部移除,就像队列一样。如果active list中page的数量远大于inactive list,那么active list头部的页面会被移入inactive list中,从而位置两个表的平衡。
Page Cache在Linux中的具体实现
address_space结构
内核使用address_space结构来表示一个page cache,address_space这个名字起得很糟糕,叫page_ache_entity可能更合适。下面是address_space的定义
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其中 host域指向对应的inode对象,host有可能为NULL,这意味着这个address_space不是和一个文件关联,而是和swap area相关,swap是Linux中将匿名内存(比如进程的堆、栈等,没有一个文件作为back store)置换到swap area(比如swap分区)从而释放物理内存的一种机制。page_tree保存了该page cache中所有的page,使用基数树(radix Tree)来存储。i_mmap是保存了所有映射到当前page cache(物理的)的虚拟内存区域(VMA)。nrpages是当前address_space中page的数量。
address_space操作函数
address_space中的a_ops域指向操作函数表(struct address_space_operations),每个后备存储都要实现这个函数表,比如ext3文件系统在fs/ext3/inode.c中实现了这个函数表。
内核使用函数表中的函数管理page cache,其中最重要的两个函数是readpage() 和writepage()
readpage()函数
readpage()首先会调用find_get_page(mapping, index)在page cache中寻找请求的数据,mapping是要寻找的page cache对象,即address_space对象,index是要读取的数据在文件中的偏移量。如果请求的数据不在该page cache中,那么内核就会创建一个新的page加入page cache中,并将要请求的磁盘数据缓存到该page中,同时将page返回给调用者。
writepage() 函数
对于文件映射(host指向一个inode对象),page每次修改后都会调用SetPageDirty(page)将page标识为dirty。(个人理解swap映射的page不需要dirty,是因为不需要考虑断电丢失数据的问题,因为内存的数据断电时默认就是会失去的)内核首先在指定的address_space寻找目标page,如果没有,就分配一个page并加入到page cache中,然后内核发起一个写请求将数据从用户空间拷入内核空间,最后将数据写入磁盘中。(对从用户空间拷贝到内核空间不是很理解,后期会重点学习Linux读、写文件的详细过程然后写一篇详细的blog介绍)
Buffer Cache
在Block I/O的文章中提到用于表示内存到磁盘映射的buffer_head结构,每个buffer-block映射都有一个buffer_head结构,buffer_head中的b_assoc_map指向了address_space。在Linux2.4中,buffer cache和 page cache之间是独立的,前者使用老版本的buffer_head进行存储,这导致了一个磁盘block可能在两个cache中同时存在,造成了内存的浪费。2.6内核中将两者合并到了一起,使buffer_head只存储buffer-block的映射信息,不再存储block的内容。这样保证一个磁盘block在内存中只会有一个副本,减少了内存浪费。
Flusher线程群(Flusher Threads)
Page cache推迟了文件写入后备存储的时间,但是dirty page最终还是要被写回磁盘的。
内核在下面三种情况下会进行会将dirty page写回磁盘:
- 用户进程调用sync() 和 fsync()系统调用
- 空闲内存低于特定的阈值(threshold)
- Dirty数据在内存中驻留的时间超过一个特定的阈值
线程群的特点是让一个线程负责一个存储设备(比如一个磁盘驱动器),多少个存储设备就用多少个线程。这样可以避免阻塞或者竞争的情况,提高效率。当空闲内存低于阈值时,内核就会调用wakeup_flusher_threads()来唤醒一个或者多个flusher线程,将数据写回磁盘。为了避免dirty数据在内存中驻留过长时间(避免在系统崩溃时丢失过多数据),内核会定期唤醒一个flusher线程,将驻留时间过长的dirty数据写回磁盘。
pagecache与内存占用
概念介绍
linux系统中通常使用free命令来查看内存使用情况,free命令主要是从/proc/meminfo文件中读取的内存数据然后进行简单处理进行展示,根据查看free命令的手册了解到各个字段的含义。
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上述的page cache是系统读写磁盘文件时为了提高性能而将一部分文件缓存到内存中。这种做法虽然提高了磁盘I/O性能,但是也极大的占用了物理内存,特别当系统内存紧张时更容易出现问题。
实际用途
linux系统会经常执行一些写日志、生成备份文件的工作,当这些文件比较大时相应的cache就会占用大量的系统内存,而且这些类型的cache并不会被经常访问,所以系统会定期将这些cache flush到磁盘中。但是如果系统未及时的将这些cache flush到磁盘中的话,就会占用大量的内存导致出现swap的情况,这样会很影响系统的整体性能。
/proc
是一个虚拟文件系统,我们可以通过对它的读写操作做为与kernel实体间进行通信的一种手段。也就是说可以通过修改/proc中的文件,来对当前kernel的行为做出调整。有一个内核配置接口 /proc/sys/vm/drop_caches
可以允许用户手动清理cache来达到释放内存的作用,这个文件有三个值:1、2、3。具体介绍如下
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根据上面介绍,在执行上述命令需要先执行sync命令将page cache刷新到磁盘中,然后在通过该drop_caches接口进行缓存清理。
另外,在编写处理大文件的代码时,避免整个文件全部读取到内存中,这样会导致占用大量的内存,极端情况下会出现linux 系统的OOM导致的正常进程被终止。尽量将文件分割成小文件再进行处理,文件使用完毕后尽早close。
page cache和buffer cache
buffer cache(块缓存)
块缓冲,通常1K,对应于一个磁盘块,用于减少磁盘IO
由物理内存分配,通常空闲内存全是bufferCache
应用层面,不直接与BufferCache交互,而是与PageCache交互
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读文件:
直接从bufferCache中读取
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写文件:
- 方法一,写bufferCache,后写磁盘
- 方法二,写bufferCache,后台程序合并写磁盘
Buffer cache 也叫块缓冲,是对物理磁盘上的一个磁盘块进行的缓冲,其大小为通常为1k,磁盘块也是磁盘的组织单位。设立buffer cache的目的是为在程序多次访问同一磁盘块时,减少访问时间。系统将磁盘块首先读入buffer cache 如果cache空间不够时,会通过一定的策略将一些过时或多次未被访问的buffer cache清空。程序在下一次访问磁盘时首先查看是否在buffer cache找到所需块,命中可减少访问磁盘时间。不命中时需重新读入buffer cache。对buffer cache 的写分为两种,一是直接写,这是程序在写buffer cache后也写磁盘,要读时从buffer cache 上读,二是后台写,程序在写完buffer cache 后并不立即写磁盘,因为有可能程序在很短时间内又需要写文件,如果直接写,就需多次写磁盘了。这样效率很低,而是过一段时间后由后台写,减少了多次访磁盘 的时间。
Buffer cache 是由物理内存分配,linux系统为提高内存使用率,会将空闲内存全分给buffer cache ,当其他程序需要更多内存时,系统会减少cahce大小。
page cache(页缓存)
页缓冲/文件缓冲,通常4K,由若干个磁盘块组成(物理上不一定连续),也即由若干个bufferCache组成
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读文件:
可能不连续的几个磁盘块—>bufferCache—>pageCache—>应用程序进程空间
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写文件:
pageCache—>bufferCache—>磁盘
Page cache 也叫页缓冲或文件缓冲,是由好几个磁盘块构成,大小通常为4k,在64位系统上为8k,构成的几个磁盘块在物理磁盘上不一定连续,文件的组织单位为一页, 也就是一个page cache大小,文件读取是由外存上不连续的几个磁盘块,到buffer cache,然后组成page cache,然后供给应用程序。
Page cache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。具体说是加速对文件内容的访问,buffer cache缓存文件的具体内容——物理磁盘上的磁盘块,这是加速对磁盘的访问。
影响脏数据在cache缓存flush操作阈值的参数 按空间大小调整
- m.dirty_background_ratio = 10 # 内存可以填充脏数据的百分比,例如内存32G,该参数设为10,即脏数据最大为3.2G,超过3.2G就启动flush落盘清理脏数据,此时脏数据依然可以写入内存。
- vm.dirty_background_bytes = 0 # 与1相同的作用,1中设置不为0时,该参数设置失效
- vm.dirty_ratio = 30 # 是可以用脏数据填充的绝对最大系统内存量,当系统到达此点时,必须将所有脏数据提交到磁盘,同时所有新的
I/O
块都会被阻塞,不允许写到内存中,直到脏数据被写入磁盘。这通常是长I/O
卡顿的原因,但这也是保证内存中不会存在过量脏数据的保护机制 - vm.dirty_bytes = 0 # 与3相同的作用,3中设置不为0时,该参数设置失效
代码源码 (其中,thresh/bg_thresh的单位均为page)
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按时间使用调整
- vm.dirty_expire_centisecs = 3000 # 默认值30 * 100,即3000毫秒,是脏数据可持续的最长时间,超过该时间脏数据必须完成同步
- vm.dirty_writeback_centisecs = 500 # 默认500ms,如果inode被标记为dirty,就会确保500ms后唤醒wb进行后台回写,减小该值可加快元数据的同步
区别
磁盘的操作有逻辑级(文件系统)和物理级(磁盘块),这两种Cache就是分别缓存逻辑和物理级数据的。
假设我们通过文件系统操作文件,那么文件将被缓存到Page Cache,如果需要刷新文件的时候,Page Cache将交给Buffer Cache去完成,因为Buffer Cache就是缓存磁盘块的。
也就是说,直接去操作文件,那就是Page Cache区缓存,用dd等命令直接操作磁盘块,就是Buffer Cache缓存的东西。
Page cache实际上是针对文件系统的,是文件的缓存,在文件层面上的数据会缓存到page cache。文件的逻辑层需要映射到实际的物理磁盘,这种映射关系由文件系统来完成。当page cache的数据需要刷新时,page cache中的数据交给buffer cache,但是这种处理在2.6版本的内核之后就变的很简单了,没有真正意义上的cache操作。
Buffer cache是针对磁盘块的缓存,也就是在没有文件系统的情况下,直接对磁盘进行操作的数据会缓存到buffer cache中,例如,文件系统的元数据都会缓存到buffer cache中。
简单说来,page cache用来缓存文件数据,buffer cache用来缓存磁盘数据。在有文件系统的情况下,对文件操作,那么数据会缓存到page cache,如果直接采用dd等工具对磁盘进行读写,那么数据会缓存到buffer cache。
Buffer(Buffer Cache)以块形式缓冲了块设备的操作,定时或手动的同步到硬盘,它是为了缓冲写操作然后一次性将很多改动写入硬盘,避免频繁写硬盘,提高写入效率。
Cache(Page Cache)以页面形式缓存了文件系统的文件,给需要使用的程序读取,它是为了给读操作提供缓冲,避免频繁读硬盘,提高读取效率。
总结
- page cache是针对文件系统的,是文件的缓存,注意区分快表,快表示操作系统根据时空局部性设置的页表项缓存。
- page cache是一个逻辑上的缓存,由多个buffer cache组成
- buffer cache是针对磁盘块的缓存,在没有文件系统的情况下,直接对磁盘进行操作的数据会缓存到buffer cache。
参考资料
Linux内核学习笔记(八)Page Cache与Page回写