深入理解 Linux 的 Page Cache
时间：2021-09-03 10:07:59
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[导读]↓推荐关注↓1.PageCache1.1PageCache是什么？为了理解PageCache，我们不妨先看一下Linux的文件I/O系统，如下图所示：Figure1.Linux文件I/O系统上图中，红色部分为PageCache。可见PageCache的本质是由Linux内核管理的...
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1. Page Cache
内核算法：Cached = files - SwapCached - Buffers；Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached公式推出来的Cached = Active(file) Inactive(file) Shmem - Buffers ；由此可见，这个Cached 并不等于Active(file) Inactive(file) ；这个cache包含很多 ：
为什么 Linux 不把 Page Cache 称为 block cache，这不是更好吗？这是因为从磁盘中加载到内存的数据不仅仅放在 Page Cache 中，还放在 buffer cache 中。例如通过 Direct I/O 技术的磁盘文件就不会进入 Page Cache 中。当然，这个问题也有 Linux 历史设计的原因，毕竟这只是一个称呼，含义随着 Linux 系统的演进也逐渐不同。下面比较一下 File-backed pages 与 Anonymous pages 在 Swap 机制下的性能。内存是一种珍惜资源，当内存不够用时，内存管理单元（Memory Mangament Unit）需要提供调度算法来回收相关内存空间。内存空间回收的方式通常就是 swap，即交换到持久化存储设备上。File-backed pages（Page Cache）的内存回收代价较低。Page Cache 通常对应于一个文件上的若干顺序块，因此可以通过顺序 I/O 的方式落盘。另一方面，如果 Page Cache 上没有进行写操作（所谓的没有脏页），甚至不会将 Page Cache 回盘，因为数据的内容完全可以通过再次读取磁盘文件得到。Page Cache 的主要难点在于脏页回盘，这个内容会在第二节进行详细说明。Anonymous pages 的内存回收代价较高。这是因为 Anonymous pages 通常随机地写入持久化交换设备。另一方面，无论是否有更操作，为了确保数据不丢失，Anonymous pages 在 swap 时必须持久化到磁盘。
其中，cached 列表示当前的页缓存（Page Cache）占用量，buffers 列表示当前的块缓存（buffer cache）占用量。用一句话来解释：Page Cache 用于缓存文件的页数据，buffer cache 用于缓存块设备（如磁盘）的块数据。页是逻辑上的概念，因此 Page Cache 是与文件系统同级的；块是物理上的概念，因此 buffer cache 是与块设备驱动程序同级的。Page Cache）占用量，buffers 列表示当前的块缓存（buffer cache）占用量。用一句话来解释：Page Cache 用于缓存文件的页数据，buffer cache 用于缓存块设备（如磁盘）的块数据。页是逻辑上的概念，因此 Page Cache 是与文件系统同级的；块是物理上的概念，因此 buffer cache 是与块设备驱动程序同级的。Page Cache 与 buffer cache 的共同目的都是加速数据 I/O：写数据时首先写到缓存，将写入的页标记为 dirty，然后向外部存储 flush，也就是缓存写机制中的 write-back（另一种是 write-through，Linux 默认情况下不采用）；读数据时首先读取缓存，如果未命中，再去外部存储读取，并且将读取来的数据也加入缓存。操作系统总是积极地将所有空闲内存都用作 Page Cache 和 buffer cache，当内存不够用时也会用 LRU 等算法淘汰缓存页。在 Linux 2.4 版本的内核之前，Page Cache 与 buffer cache 是完全分离的。但是，块设备大多是磁盘，磁盘上的数据又大多通过文件系统来组织，这种设计导致很多数据被缓存了两次，浪费内存。所以在 2.4 版本内核之后，两块缓存近似融合在了一起：如果一个文件的页加载到了 Page Cache，那么同时 buffer cache 只需要维护块指向页的指针就可以了。只有那些没有文件表示的块，或者绕过了文件系统直接操作（如dd命令）的块，才会真正放到 buffer cache 里。因此，我们现在提起 Page Cache，基本上都同时指 Page Cache 和 buffer cache 两者，本文之后也不再区分，直接统称为 Page Cache。下图近似地示出 32-bit Linux 系统中可能的一种 Page Cache 结构，其中 block size 大小为 1KB，page size 大小为 4KB。Page Cache 中的每个文件都是一棵基数树（radix tree，本质上是多叉搜索树），树的每个节点都是一个页。根据文件内的偏移量就可以快速定位到所在的页，如下图所示。关于基数树的原理可以参见英文维基，这里就不细说了。
1.6 Page Cache 与预读
操作系统为基于 Page Cache 的读缓存机制提供预读机制（PAGE_READAHEAD），一个例子是：
下图代表了操作系统的预读机制：操作系统的预读机制
上图中，应用程序利用 read 系统调动读取 4KB 数据，实际上内核使用 readahead 机制完成了 16KB 数据的读取。
1. Page Cache
1.1 Page Cache 是什么？
为了理解 Page Cache，我们不妨先看一下 Linux 的文件 I/O 系统，如下图所示：Figure1. Linux 文件 I/O 系统上图中，红色部分为 Page Cache。可见 Page Cache 的本质是由 Linux 内核管理的内存区域。我们通过 mmap 以及 buffered I/O 将文件读取到内存空间实际上都是读取到 Page Cache 中。
1.2 如何查看系统的 Page Cache？
通过读取/proc/meminfo 文件，能够实时获取系统内存情况：$ cat /proc/meminfo
...
Buffers: 1224 kB
Cached: 111472 kB
SwapCached: 36364 kB
Active: 6224232 kB
Inactive: 979432 kB
Active(anon): 6173036 kB
Inactive(anon): 927932 kB
Active(file): 51196 kB
Inactive(file): 51500 kB
...
Shmem: 10000 kB
...
SReclaimable: 43532 kB
...
根据上面的数据，你可以简单得出这样的公式（等式两边之和都是 112696 KB）：Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached
两边等式都是 Page Cache，即：Page Cache = Buffers Cached SwapCached
通过阅读 1.4 以及 1.5 小节，就能够理解为什么 SwapCached 与 Buffers 也是 Page Cache 的一部分。题外话，小伙伴答案：内核计算源码（linux 2.6.19）：内核算法：Cached = files - SwapCached - Buffers；Buffers Cached SwapCached = Active(file) Inactive(file) Shmem SwapCached公式推出来的Cached = Active(file) Inactive(file) Shmem - Buffers ；由此可见，这个Cached 并不等于Active(file) Inactive(file) ；这个cache包含很多 ：
- 含有普通文件数据的页‘；
- 含有目录的页；
- 含有直接从块设备文件(跳过文件系统)读出的数据的页；
- 含有用户态进程数据的页；
- 属于特殊文件系统文件的页，如shm；
1.3 page 与 Page Cache
page 是内存管理分配的基本单位， Page Cache 由多个 page 构成。page 在操作系统中通常为 4KB 大小（32bits/64bits），而 Page Cache 的大小则为 4KB 的整数倍。另一方面，并不是所有 page 都被组织为 Page Cache。Linux 系统上供用户可访问的内存分为两个类型[2]，即：- File-backed pages：文件备份页也就是 Page Cache 中的 page，对应于磁盘上的若干数据块；对于这些页最大的问题是脏页回盘；
- Anonymous pages：匿名页不对应磁盘上的任何磁盘数据块，它们是进程的运行是内存空间（例如方法栈、局部变量表等属性）；
为什么 Linux 不把 Page Cache 称为 block cache，这不是更好吗？这是因为从磁盘中加载到内存的数据不仅仅放在 Page Cache 中，还放在 buffer cache 中。例如通过 Direct I/O 技术的磁盘文件就不会进入 Page Cache 中。当然，这个问题也有 Linux 历史设计的原因，毕竟这只是一个称呼，含义随着 Linux 系统的演进也逐渐不同。下面比较一下 File-backed pages 与 Anonymous pages 在 Swap 机制下的性能。内存是一种珍惜资源，当内存不够用时，内存管理单元（Memory Mangament Unit）需要提供调度算法来回收相关内存空间。内存空间回收的方式通常就是 swap，即交换到持久化存储设备上。File-backed pages（Page Cache）的内存回收代价较低。Page Cache 通常对应于一个文件上的若干顺序块，因此可以通过顺序 I/O 的方式落盘。另一方面，如果 Page Cache 上没有进行写操作（所谓的没有脏页），甚至不会将 Page Cache 回盘，因为数据的内容完全可以通过再次读取磁盘文件得到。Page Cache 的主要难点在于脏页回盘，这个内容会在第二节进行详细说明。Anonymous pages 的内存回收代价较高。这是因为 Anonymous pages 通常随机地写入持久化交换设备。另一方面，无论是否有更操作，为了确保数据不丢失，Anonymous pages 在 swap 时必须持久化到磁盘。
1.4 Swap 与缺页中断
Swap 机制指的是当物理内存不够用，内存管理单元（Memory Mangament Unit）需要提供调度算法来回收相关内存空间，然后将清理出来的内存空间给当前内存申请方。Swap 机制存在的本质原因是 Linux 系统提供了虚拟内存管理机制，每一个进程认为其独占内存空间，因此所有进程的内存空间之和远远大于物理内存。所有进程的内存空间之和超过物理内存的部分就需要交换到磁盘上。操作系统以 page 为单位管理内存，当进程发现需要访问的数据不在内存时，操作系统可能会将数据以页的方式加载到内存中。上述过程被称为缺页中断，当操作系统发生缺页中断时，就会通过系统调用将 page 再次读到内存中。但主内存的空间是有限的，当主内存中不包含可以使用的空间时，操作系统会从选择合适的物理内存页驱逐回磁盘，为新的内存页让出位置，选择待驱逐页的过程在操作系统中叫做页面替换（Page Replacement），替换操作又会触发 swap 机制。如果物理内存足够大，那么可能不需要 Swap 机制，但是 Swap 在这种情况下还是有一定优势：对于有发生内存泄漏几率的应用程序（进程），Swap 交换分区更是重要，这可以确保内存泄露不至于导致物理内存不够用，最终导致系统崩溃。但内存泄露会引起频繁的 swap，此时非常影响操作系统的性能。Linux 通过一个 swappiness 参数来控制 Swap 机制[2]：这个参数值可为 0-100，控制系统 swap 的优先级：- 高数值：较高频率的 swap，进程不活跃时主动将其转换出物理内存。
- 低数值：较低频率的 swap，这可以确保交互式不因为内存空间频繁地交换到磁盘而提高响应延迟。
Figure2. 匿名页的被交换后也是 Page Cache
1.5 Page Cache 与 buffer cache
执行 free 命令，注意到会有两列名为 buffers 和 cached，也有一行名为 “-/ buffers/cache”。~ free -m
total used free shared buffers cached
Mem: 128956 96440 32515 0 5368 39900
-/ buffers/cache: 51172 77784
Swap: 16002 0 16001其中，cached 列表示当前的页缓存（Page Cache）占用量，buffers 列表示当前的块缓存（buffer cache）占用量。用一句话来解释：Page Cache 用于缓存文件的页数据，buffer cache 用于缓存块设备（如磁盘）的块数据。页是逻辑上的概念，因此 Page Cache 是与文件系统同级的；块是物理上的概念，因此 buffer cache 是与块设备驱动程序同级的。Page Cache）占用量，buffers 列表示当前的块缓存（buffer cache）占用量。用一句话来解释：Page Cache 用于缓存文件的页数据，buffer cache 用于缓存块设备（如磁盘）的块数据。页是逻辑上的概念，因此 Page Cache 是与文件系统同级的；块是物理上的概念，因此 buffer cache 是与块设备驱动程序同级的。Page Cache 与 buffer cache 的共同目的都是加速数据 I/O：写数据时首先写到缓存，将写入的页标记为 dirty，然后向外部存储 flush，也就是缓存写机制中的 write-back（另一种是 write-through，Linux 默认情况下不采用）；读数据时首先读取缓存，如果未命中，再去外部存储读取，并且将读取来的数据也加入缓存。操作系统总是积极地将所有空闲内存都用作 Page Cache 和 buffer cache，当内存不够用时也会用 LRU 等算法淘汰缓存页。在 Linux 2.4 版本的内核之前，Page Cache 与 buffer cache 是完全分离的。但是，块设备大多是磁盘，磁盘上的数据又大多通过文件系统来组织，这种设计导致很多数据被缓存了两次，浪费内存。所以在 2.4 版本内核之后，两块缓存近似融合在了一起：如果一个文件的页加载到了 Page Cache，那么同时 buffer cache 只需要维护块指向页的指针就可以了。只有那些没有文件表示的块，或者绕过了文件系统直接操作（如dd命令）的块，才会真正放到 buffer cache 里。因此，我们现在提起 Page Cache，基本上都同时指 Page Cache 和 buffer cache 两者，本文之后也不再区分，直接统称为 Page Cache。下图近似地示出 32-bit Linux 系统中可能的一种 Page Cache 结构，其中 block size 大小为 1KB，page size 大小为 4KB。Page Cache 中的每个文件都是一棵基数树（radix tree，本质上是多叉搜索树），树的每个节点都是一个页。根据文件内的偏移量就可以快速定位到所在的页，如下图所示。关于基数树的原理可以参见英文维基，这里就不细说了。
1.6 Page Cache 与预读
操作系统为基于 Page Cache 的读缓存机制提供预读机制（PAGE_READAHEAD），一个例子是：- 用户线程仅仅请求读取磁盘上文件 A 的 offset 为 0-3KB 范围内的数据，由于磁盘的基本读写单位为 block（4KB），于是操作系统至少会读 0-4KB 的内容，这恰好可以在一个 page 中装下。
- 但是操作系统出于局部性原理[3]会选择将磁盘块 offset [4KB,8KB)、[8KB,12KB) 以及 [12KB,16KB) 都加载到内存，于是额外在内存中申请了 3 个 page；
下图代表了操作系统的预读机制：操作系统的预读机制
上图中，应用程序利用 read 系统调动读取 4KB 数据，实际上内核使用 readahead 机制完成了 16KB 数据的读取。
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