Linux操作系统缓存机制之页缓存_

　　Linux运用一个功能广泛的缓冲和缓存框架来提高系统的速度。缓冲和缓存利用一部分系统物理内存，确保最重要、最常使用的块设备数据在操作时可直接从主内存获取，而无需从低速设备读取。物理内存还用于存储从快设备读取的数据，使得随后对该数据的访问可直接在物理内存进行，而无需从外部设备再次取用。考虑系统中多种因素然后延迟写回在总体上改进了系统的性能。前面分析的部分，例如内存管理的slab缓存是一个内存到内存的缓存，其目地不是加速对低速设备的操作，而是对现有资源进行更简单、更高效的使用。文件系统的Dentry缓存也用于减少对低速块设备的访问，但他无法推广到通用场合，因为他是专门用于处理单一数据类型的。内核为块设备提供了两种通用的缓存方案：1）页缓存，针对以页为单位的所有操作，并考虑了特定体系结构上的页长度。一个主要的例子是内存映射技术。因为其他类型的文件访问也是基于内核中的这一技术实现的。所以页缓存实际上负责了块设备的大部分缓存工作。2）块缓存，以块为操作单位。在进行I/O操作时，存取的单位是设备的各个块，而不是整个内存页。尽管页长度对所有文件系统都是相同的，但块长度取决于特定的文件系统或其设置。因而，块缓存必须能够处理不同长度的块。目前用于块传输的标准数据结构已经演变为struct bio.用这种方式进行块传输更为高效，因为他可以合并同一请求中后续的块，加速处理的进行。在许多场合下，页缓存和块缓存是联合使用的。例如，一个缓存的页在写操作期间可以划分为不同的缓冲区，这样可以在更细的力度下，识别出页被修改的部分。好处在于，在将数据写回时，只需要回写被修改的部分，无需将这个页面传输回底层的块设备。页面缓存结构[cpp] view plaincopyprint？
　　/*高速缓存的核心数据结构，对块设备的读写操作都放在该结构体里*/ structaddress_space {/*与地址空间所管理的区域之间的关联数据结构之一inode结构指定了后备存储器*/ struct inode *host; /* owner： inode， block_device */ /*与地址空间所管理的区域之间的关联之二，page_tree列出了地址空间中所有的物理内存页*/struct radix_tree_root page_
　　tree;/*radix tree of all pages */ spinlock_t tree_lock;/*and lock protecting it */ /*所有用VM_SHARED属性创建的映射*/unsigned int i_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings */ /*基数根节点，该树包含了与该inode相关的所有普通内存映射。该树的任务在于，支持查找包含了给定区间中至少一页的所有内存区域*/ struct prio_tree_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */ /*包含所有在非线性映射中的页*/ struct list_head i_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings*/ spinlock_t i_mmap_lock; /* protect tree， count，list */unsigned int truncate_count; /* Cover race condition with truncate */ /*缓存页的总数*/ unsigned long nrpages; /* number of total pages */ pgoff_t writeback_index;/* writeback starts here */ const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */ /*集主要用于保存映射页所来自的GFP内存区的有关信息*/ unsigned long flags; /* error bits/gfp mask */ /*指向后备存储器结构，该结构包含了与地址空间相关的后备存储器的有关信息，后备存储器是指与地址空间相关的外部设备，用做地址空间中信息的来源。他通常是块设备*/ struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead， etc */ spinlock_t private_lock; /* for use by the address_space */ /*用于将包含文件系统元数据(通常是间接块)的buffer_head实例彼此连接起来*/ struct list_head private_
　　list; /* ditto */ /*指向相关的地址空间的指针*/ struct address_space *assoc_mappi
　　ng; /* ditto */ }__attribute__(( aligned(siz
　　eof(long))));后备存储信息[cpp] view plaincopyprint？
　　Struct backing_dev_info { struct list_head bdi_list;struct rcu_head rcu_head;/*最大预读数量，单位为PAGE
　　_CACHE_SIZE*/unsigned long ra_pages;
　　/*max readahead in PAGE_CACHE_SIZE units */ /*对该成员，总是使用原子操作，指定了后备存储器的状态*/ unsigned long state; /* Always use atomic bitops on this *//*设备能力*/unsigned int capabiliti
　　es;/* Device capabilities */ congested_fn *congested_fn; /* Function pointer if device is md/dm */ void *congested_data; /* Pointer to aux data for congested func */ void (*unplug_io_fn)(struct backing_dev_info *， struct page *);void *unplug_io_data;
　　char *name;
　　struct percpu_counter bdi_stat[NR_BDI_STAT_ITEMS];
　　struct prop_local_percpu completions;int dirty_exceeded;
　　unsigned int min_ratio;unsigned int max_ratio， max_prop_frac;
　　struct bdi_writeback wb; /* default writeback info for this bdi */ spinlock_t wb_lock; /* protects update side of wb_list */ struct list_head wb_list; /* the flusher threads hanging off this bdi */ unsigned long wb_mask; /* bitmask of registered tasks */ unsigned int wb_cnt; /* number of registered tasks */
　　struct list_head work_list;
　　struct device *dev;
　　#ifdef CONFIG_DEBUG_FS struct dentry *debug_dir;struct dentry *debug_stats;#endif };下图为地址空间与内核其他部分的关联。
　　内核采用一种通用的地址空间方案，来建立缓存数据与其来源之间的关联。
　　1）内存中的页分配到每个地址空间。这些页的内容可以由用户进程或内核本身使用各式各样的方法操作。这些数据表示了缓存中的内容；2）后备存储器struct backing_dev_info指定了填充地址空间中页的数据的来源。地址空间关联到处理器的虚拟地址空间，是由处理器在虚拟内存中管理的一个区域到设备device上对应位置之间的一个映射。
　　如果访问了虚拟内存中的某个位置，该位置没有关联到物理内存页，内核可根据地址空间结构来找到读取数据的来源。
　　为支持数据传输，每个地址空间都提供了一组操作，以容许地址空间所涉及双方面的交互。
　　地址空间是内核中最关键的数据结构之一，对该数据结构的管理，已经演变为内核面对的最关键的问题之一。 页缓存的任务在于，获得一些物理内存页，以加速在块设备上按页为单位执行的操作。
　　内核使用了基数树来管理与一个地址空间相关的所有页，以便尽可能降低开销。
　　add_to_page_cache_locked， but used to add newly allocated pages：* the page is new， so we can just run __set_page_locked() against it. */ static inline int add_to_page_cache(struct page *page，struct address_space *mapping， pgoff_t offset， gfp_t gfp_mask)
　　/** * add_to_page_cache_locked - add a locked page to the pagecache * @page： page to add * @mapping： the page"s address_space * @offset： page index * @gfp_mask： page allocation mode * * This function is used to add a page to the pagecache. It must be locked. * This function does not add the page to the LRU. The caller must do that. */ int add_to_page_cache_locked(struct page *page， struct address_space *mapping，pgoff_t offset， gfp_t gfp_mask)
　　error=mem_cgroup_cache_charge(page， current->mm，gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK);if (error)
　　
　　
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