頁面緩存、內存和文件之間的那些事
上一篇文章中我們學習了內核怎么為一個用戶進程 管理虛擬內存，而沒有提及文件和 I/O。這一篇文章我們將專門去講這個重要的主題 —— 頁面緩存。文件和內存之間的關系常常很不好去理解，而它們對系統性能的影響卻是非常大的。
在面對文件時，有兩個很重要的問題需要操作系統去解決。***個是相對內存而言，慢的讓人發狂的硬盤驅動器，尤其是磁盤尋道。第二個是需要將文件內容一次性地加載到物理內存中，以便程序間共享文件內容。如果你在 Windows 中使用 進程瀏覽器 去查看它的進程，你將會看到每個進程中加載了大約 ~15MB 的公共 DLL。我的 Windows 機器上現在大約運行著 100 個進程，因此，如果不共享的話，僅這些公共的 DLL 就要使用高達 ~1.5 GB 的物理內存。如果是那樣的話，那就太糟糕了。同樣的，幾乎所有的 Linux 進程都需要 ld.so 和 libc，加上其它的公共庫，它們占用的內存數量也不是一個小數目。
幸運的是，這兩個問題都用一個辦法解決了：頁面緩存 —— 保存在內存中的頁面大小的文件塊。為了用圖去說明頁面緩存，我捏造出一個名為 render 的 Linux 程序，它打開了文件 scene.dat，并且一次讀取 512 字節，并將文件內容存儲到一個分配到堆中的塊上。***次讀取的過程如下：
Reading and the page cache
render請求scene.dat從位移 0 開始的 512 字節。- 內核搜尋頁面緩存中
scene.dat的 4kb 塊，以滿足該請求。假設該數據沒有緩存。 - 內核分配頁面幀，初始化 I/O 請求，將
scend.dat從位移 0 開始的 4kb 復制到分配的頁面幀。 - 內核從頁面緩存復制請求的 512 字節到用戶緩沖區，系統調用
read()結束。
讀取完 12KB 的文件內容以后，render 程序的堆和相關的頁面幀如下圖所示：
Non-mapped file read
它看起來很簡單，其實這一過程做了很多的事情。首先，雖然這個程序使用了普通的讀取（read）調用，但是，已經有三個 4KB 的頁面幀將文件 scene.dat 的一部分內容保存在了頁面緩存中。雖然有時讓人覺得很驚奇，但是，普通的文件 I/O 就是這樣通過頁面緩存來進行的。在 x86 架構的 Linux 中，內核將文件認為是一系列的 4KB 大小的塊。如果你從文件中讀取單個字節，包含這個字節的整個 4KB 塊將被從磁盤中讀入到頁面緩存中。這是可以理解的，因為磁盤通常是持續吞吐的，并且程序一般也不會從磁盤區域僅僅讀取幾個字節。頁面緩存知道文件中的每個 4KB 塊的位置，在上圖中用 #0、#1 等等來描述。Windows 使用 256KB 大小的視圖，類似于 Linux 的頁面緩存中的頁面。
不幸的是，在一個普通的文件讀取中，內核必須拷貝頁面緩存中的內容到用戶緩沖區中，它不僅花費 CPU 時間和影響 CPU 緩存，在復制數據時也浪費物理內存。如前面的圖示，scene.dat 的內存被存儲了兩次，并且，程序中的每個實例都用另外的時間去存儲內容。我們雖然解決了從磁盤中讀取文件緩慢的問題，但是在其它的方面帶來了更痛苦的問題。內存映射文件是解決這種痛苦的一個方法：
Mapped file read
當你使用文件映射時，內核直接在頁面緩存上映射你的程序的虛擬頁面。這樣可以顯著提升性能：Windows 系統編程 報告指出，在相關的普通文件讀取上運行時性能提升多達 30% ，在 Unix 環境中的高級編程 的報告中，文件映射在 Linux 和 Solaris 也有類似的效果。這取決于你的應用程序類型的不同，通過使用文件映射，可以節約大量的物理內存。
對高性能的追求是永恒不變的目標，測量是很重要的事情，內存映射應該是程序員始終要使用的工具。這個 API 提供了非常好用的實現方式，它允許你在內存中按字節去訪問一個文件，而不需要為了這種好處而犧牲代碼可讀性。在一個類 Unix 的系統中，可以使用 mmap 查看你的 地址空間，在 Windows 中，可以使用 CreateFileMapping，或者在高級編程語言中還有更多的可用封裝。當你映射一個文件內容時，它并不是一次性將全部內容都映射到內存中，而是通過 頁面故障 來按需映射的。在 獲取 需要的文件內容的頁面幀后，頁面故障句柄 映射你的虛擬頁面 到頁面緩存上。如果一開始文件內容沒有緩存，這還將涉及到磁盤 I/O。
現在出現一個突發的狀況，假設我們的 render 程序的***一個實例退出了。在頁面緩存中保存著 scene.dat 內容的頁面要立刻釋放掉嗎？人們通常會如此考慮，但是，那樣做并不是個好主意。你應該想到，我們經常在一個程序中創建一個文件，退出程序，然后，在第二個程序去使用這個文件。頁面緩存正好可以處理這種情況。如果考慮更多的情況，內核為什么要清除頁面緩存的內容？請記住，磁盤讀取的速度要慢于內存 5 個數量級，因此，***一個頁面緩存是一件有非常大收益的事情。因此，只要有足夠大的物理內存，緩存就應該保持全滿。并且，這一原則適用于所有的進程。如果你現在運行 render 一周后， scene.dat 的內容還在緩存中，那么應該恭喜你！這就是什么內核緩存越來越大，直至達到***限制的原因。它并不是因為操作系統設計的太“垃圾”而浪費你的內存，其實這是一個非常好的行為，因為，釋放物理內存才是一種“浪費”。（LCTT 譯注：釋放物理內存會導致頁面緩存被清除，下次運行程序需要的相關數據，需要再次從磁盤上進行讀取，會“浪費” CPU 和 I/O 資源）***的做法是盡可能多的使用緩存。
由于頁面緩存架構的原因，當程序調用 write() 時，字節只是被簡單地拷貝到頁面緩存中，并將這個頁面標記為“臟”頁面。磁盤 I/O 通常并不會立即發生，因此，你的程序并不會被阻塞在等待磁盤寫入上。副作用是，如果這時候發生了電腦死機，你的寫入將不會完成，因此，對于至關重要的文件，像數據庫事務日志，要求必須進行 fsync()（仍然還需要去擔心磁盤控制器的緩存失敗問題），另一方面，讀取將被你的程序阻塞，直到數據可用為止。內核采取預加載的方式來緩解這個矛盾，它一般提前預讀取幾個頁面并將它加載到頁面緩存中，以備你后來的讀取。在你計劃進行一個順序或者隨機讀取時（請查看 madvise()、readahead()、Windows 緩存提示 ），你可以通過提示幫助內核去調整這個預加載行為。Linux 會對內存映射的文件進行 預讀取，但是我不確定 Windows 的行為。當然，在 Linux 中它可能會使用 O_DIRECT 跳過預讀取，或者，在 Windows 中使用 NO_BUFFERING 去跳過預讀，一些數據庫軟件就經常這么做。
一個文件映射可以是私有的，也可以是共享的。當然，這只是針對內存中內容的更新而言：在一個私有的內存映射上，更新并不會提交到磁盤或者被其它進程可見，然而，共享的內存映射，則正好相反，它的任何更新都會提交到磁盤上，并且對其它的進程可見。內核使用寫時復制（CoW）機制，這是通過頁面表條目（PTE）來實現這種私有的映射。在下面的例子中，render 和另一個被稱為 render3d 的程序都私有映射到 scene.dat 上。然后 render 去寫入映射的文件的虛擬內存區域：
The Copy-On-Write mechanism
- 兩個程序私有地映射
scene.dat，內核誤導它們并將它們映射到頁面緩存，但是使該頁面表條目只讀。 render試圖寫入到映射scene.dat的虛擬頁面，處理器發生頁面故障。- 內核分配頁面幀，復制
scene.dat的第二塊內容到其中，并映射故障的頁面到新的頁面幀。 - 繼續執行。程序就當做什么都沒發生。
上面展示的只讀頁面表條目并不意味著映射是只讀的，它只是內核的一個用于共享物理內存的技巧，直到盡可能的***一刻之前。你可以認為“私有”一詞用的有點不太恰當，你只需要記住，這個“私有”僅用于更新的情況。這種設計的重要性在于，要想看到被映射的文件的變化，其它程序只能讀取它的虛擬頁面。一旦“寫時復制”發生，從其它地方是看不到這種變化的。但是，內核并不能保證這種行為，因為它是在 x86 中實現的，從 API 的角度來看，這是有意義的。相比之下，一個共享的映射只是將它簡單地映射到頁面緩存上。更新會被所有的進程看到并被寫入到磁盤上。最終，如果上面的映射是只讀的，頁面故障將觸發一個內存段失敗而不是寫到一個副本。
動態加載庫是通過文件映射融入到你的程序的地址空間中的。這沒有什么可奇怪的，它通過普通的 API 為你提供與私有文件映射相同的效果。下面的示例展示了映射文件的 render 程序的兩個實例運行的地址空間的一部分，以及物理內存，嘗試將我們看到的許多概念綜合到一起。
Mapping virtual memory to physical memory
這是內存架構系列的第三部分的結論。我希望這個系列文章對你有幫助，對理解操作系統的這些主題提供一個很好的思維模型。
