深入理解Linux 的Page Cache
大家好，我是 Peter，昨天群里有小伙伴咨詢page cache的問題，看到網(wǎng)上有篇不錯(cuò)的文章，分享給大家。
1、Page Cache
1.1 Page Cache 是什么？
為了理解 Page Cache，我們不妨先看一下 Linux 的文件 I/O 系統(tǒng)，如下圖所示：
Figure1. Linux 文件 I/O 系統(tǒng)
上圖中，紅色部分為 Page Cache。可見 Page Cache 的本質(zhì)是由 Linux 內(nèi)核管理的內(nèi)存區(qū)域。我們通過 mmap 以及 buffered I/O 將文件讀取到內(nèi)存空間實(shí)際上都是讀取到 Page Cache 中。
1.2 如何查看系統(tǒng)的 Page Cache？
通過讀取 /proc/meminfo 文件，能夠?qū)崟r(shí)獲取系統(tǒng)內(nèi)存情況：
- $ 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
- ...
根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，你可以簡單得出這樣的公式（等式兩邊之和都是 112696 KB）：
- Buffers + Cached + SwapCached = Active(file) + Inactive(file) + Shmem + SwapCached
兩邊等式都是 Page Cache，即：
- Page Cache = Buffers + Cached + SwapCached
通過閱讀 1.4 以及 1.5 小節(jié)，就能夠理解為什么 SwapCached 與 Buffers 也是 Page Cache 的一部分。
題外話，小伙伴答案：
內(nèi)核計(jì)算源碼（linux 2.6.19）：
內(nèi)核算法：Cached = files - SwapCached - Buffers；
Buffers + Cached + SwapCached = Active(file) + Inactive(file) + Shmem + SwapCached
公式推出來的
Cached = Active(file) + Inactive(file) + Shmem - Buffers ；
由此可見，這個(gè)Cached 并不等于Active(file) + Inactive(file) ；
這個(gè)cache包含很多 ：
- 含有普通文件數(shù)據(jù)的頁‘；
- 含有目錄的頁；
- 含有直接從塊設(shè)備文件(跳過文件系統(tǒng))讀出的數(shù)據(jù)的頁；
- 含有用戶態(tài)進(jìn)程數(shù)據(jù)的頁；
- 屬于特殊文件系統(tǒng)文件的頁，如shm；
1.3 page 與 Page Cache
page 是內(nèi)存管理分配的基本單位， Page Cache 由多個(gè) page 構(gòu)成。page 在操作系統(tǒng)中通常為 4KB 大小（32bits/64bits），而 Page Cache 的大小則為 4KB 的整數(shù)倍。
另一方面，并不是所有 page 都被組織為 Page Cache。
Linux 系統(tǒng)上供用戶可訪問的內(nèi)存分為兩個(gè)類型[2]，即：
- File-backed pages：文件備份頁也就是 Page Cache 中的 page，對應(yīng)于磁盤上的若干數(shù)據(jù)塊；對于這些頁最大的問題是臟頁回盤；
- Anonymous pages：匿名頁不對應(yīng)磁盤上的任何磁盤數(shù)據(jù)塊，它們是進(jìn)程的運(yùn)行是內(nèi)存空間（例如方法棧、局部變量表等屬性）；
為什么 Linux 不把 Page Cache 稱為 block cache，這不是更好嗎？
這是因?yàn)閺拇疟P中加載到內(nèi)存的數(shù)據(jù)不僅僅放在 Page Cache 中，還放在 buffer cache 中。例如通過 Direct I/O 技術(shù)的磁盤文件就不會(huì)進(jìn)入 Page Cache 中。當(dāng)然，這個(gè)問題也有 Linux 歷史設(shè)計(jì)的原因，畢竟這只是一個(gè)稱呼，含義隨著 Linux 系統(tǒng)的演進(jìn)也逐漸不同。
下面比較一下 File-backed pages 與 Anonymous pages 在 Swap 機(jī)制下的性能。
內(nèi)存是一種珍惜資源，當(dāng)內(nèi)存不夠用時(shí)，內(nèi)存管理單元（Memory Mangament Unit）需要提供調(diào)度算法來回收相關(guān)內(nèi)存空間。內(nèi)存空間回收的方式通常就是 swap，即交換到持久化存儲(chǔ)設(shè)備上。
File-backed pages（Page Cache）的內(nèi)存回收代價(jià)較低。Page Cache 通常對應(yīng)于一個(gè)文件上的若干順序塊，因此可以通過順序 I/O 的方式落盤。另一方面，如果 Page Cache 上沒有進(jìn)行寫操作（所謂的沒有臟頁），甚至不會(huì)將 Page Cache 回盤，因?yàn)閿?shù)據(jù)的內(nèi)容完全可以通過再次讀取磁盤文件得到。
Page Cache 的主要難點(diǎn)在于臟頁回盤，這個(gè)內(nèi)容會(huì)在第二節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說明。
Anonymous pages 的內(nèi)存回收代價(jià)較高。這是因?yàn)?Anonymous pages 通常隨機(jī)地寫入持久化交換設(shè)備。另一方面，無論是否有更操作，為了確保數(shù)據(jù)不丟失，Anonymous pages 在 swap 時(shí)必須持久化到磁盤。
1.4 Swap 與缺頁中斷
Swap 機(jī)制指的是當(dāng)物理內(nèi)存不夠用，內(nèi)存管理單元（Memory Mangament Unit）需要提供調(diào)度算法來回收相關(guān)內(nèi)存空間，然后將清理出來的內(nèi)存空間給當(dāng)前內(nèi)存申請方。
Swap 機(jī)制存在的本質(zhì)原因是 Linux 系統(tǒng)提供了虛擬內(nèi)存管理機(jī)制，每一個(gè)進(jìn)程認(rèn)為其獨(dú)占內(nèi)存空間，因此所有進(jìn)程的內(nèi)存空間之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存。所有進(jìn)程的內(nèi)存空間之和超過物理內(nèi)存的部分就需要交換到磁盤上。
操作系統(tǒng)以 page 為單位管理內(nèi)存，當(dāng)進(jìn)程發(fā)現(xiàn)需要訪問的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)可能會(huì)將數(shù)據(jù)以頁的方式加載到內(nèi)存中。上述過程被稱為缺頁中斷，當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)生缺頁中斷時(shí)，就會(huì)通過系統(tǒng)調(diào)用將 page 再次讀到內(nèi)存中。
但主內(nèi)存的空間是有限的，當(dāng)主內(nèi)存中不包含可以使用的空間時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)從選擇合適的物理內(nèi)存頁驅(qū)逐回磁盤，為新的內(nèi)存頁讓出位置，選擇待驅(qū)逐頁的過程在操作系統(tǒng)中叫做頁面替換（Page Replacement），替換操作又會(huì)觸發(fā) swap 機(jī)制。
如果物理內(nèi)存足夠大，那么可能不需要 Swap 機(jī)制，但是 Swap 在這種情況下還是有一定優(yōu)勢：對于有發(fā)生內(nèi)存泄漏幾率的應(yīng)用程序（進(jìn)程），Swap 交換分區(qū)更是重要，這可以確保內(nèi)存泄露不至于導(dǎo)致物理內(nèi)存不夠用，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。但內(nèi)存泄露會(huì)引起頻繁的 swap，此時(shí)非常影響操作系統(tǒng)的性能。
Linux 通過一個(gè) swappiness 參數(shù)來控制 Swap 機(jī)制[2]：這個(gè)參數(shù)值可為 0-100，控制系統(tǒng) swap 的優(yōu)先級(jí)：
- 高數(shù)值：較高頻率的 swap，進(jìn)程不活躍時(shí)主動(dòng)將其轉(zhuǎn)換出物理內(nèi)存。
- 低數(shù)值：較低頻率的 swap，這可以確保交互式不因?yàn)閮?nèi)存空間頻繁地交換到磁盤而提高響應(yīng)延遲。
最后，為什么 Buffers 也是 Page Cache 的一部分？
這是因?yàn)楫?dāng)匿名頁（Inactive(anon) 以及 Active(anon)）先被交換（swap out）到磁盤上后，然后再加載回（swap in）內(nèi)存中，由于讀入到內(nèi)存后原來的 Swap File 還在，所以 SwapCached 也可以認(rèn)為是 File-backed page，即屬于 Page Cache。這個(gè)過程如 Figure 2 所示。
Figure2. 匿名頁的被交換后也是 Page Cache
1.5 Page Cache 與 buffer cache
執(zhí)行 free 命令，注意到會(huì)有兩列名為 buffers 和 cached，也有一行名為 “-/+ 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 列表示當(dāng)前的頁緩存（Page Cache）占用量，buffers 列表示當(dāng)前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數(shù)據(jù)，buffer cache 用于緩存塊設(shè)備（如磁盤）的塊數(shù)據(jù)。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級(jí)的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同級(jí)的。
Page Cache）占用量，buffers 列表示當(dāng)前的塊緩存（buffer cache）占用量。用一句話來解釋：Page Cache 用于緩存文件的頁數(shù)據(jù)，buffer cache 用于緩存塊設(shè)備（如磁盤）的塊數(shù)據(jù)。頁是邏輯上的概念，因此 Page Cache 是與文件系統(tǒng)同級(jí)的；塊是物理上的概念，因此 buffer cache 是與塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同級(jí)的。
Page Cache 與 buffer cache 的共同目的都是加速數(shù)據(jù) I/O：寫數(shù)據(jù)時(shí)首先寫到緩存，將寫入的頁標(biāo)記為 dirty，然后向外部存儲(chǔ) flush，也就是緩存寫機(jī)制中的 write-back（另一種是 write-through，Linux 默認(rèn)情況下不采用）；讀數(shù)據(jù)時(shí)首先讀取緩存，如果未命中，再去外部存儲(chǔ)讀取，并且將讀取來的數(shù)據(jù)也加入緩存。操作系統(tǒng)總是積極地將所有空閑內(nèi)存都用作 Page Cache 和 buffer cache，當(dāng)內(nèi)存不夠用時(shí)也會(huì)用 LRU 等算法淘汰緩存頁。
在 Linux 2.4 版本的內(nèi)核之前，Page Cache 與 buffer cache 是完全分離的。但是，塊設(shè)備大多是磁盤，磁盤上的數(shù)據(jù)又大多通過文件系統(tǒng)來組織，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)被緩存了兩次，浪費(fèi)內(nèi)存。所以在 2.4 版本內(nèi)核之后，兩塊緩存近似融合在了一起：如果一個(gè)文件的頁加載到了 Page Cache，那么同時(shí) buffer cache 只需要維護(hù)塊指向頁的指針就可以了。只有那些沒有文件表示的塊，或者繞過了文件系統(tǒng)直接操作（如dd命令）的塊，才會(huì)真正放到 buffer cache 里。因此，我們現(xiàn)在提起 Page Cache，基本上都同時(shí)指 Page Cache 和 buffer cache 兩者，本文之后也不再區(qū)分，直接統(tǒng)稱為 Page Cache。
下圖近似地示出 32-bit Linux 系統(tǒng)中可能的一種 Page Cache 結(jié)構(gòu)，其中 block size 大小為 1KB，page size 大小為 4KB。
Page Cache 中的每個(gè)文件都是一棵基數(shù)樹（radix tree，本質(zhì)上是多叉搜索樹），樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)頁。根據(jù)文件內(nèi)的偏移量就可以快速定位到所在的頁，如下圖所示。關(guān)于基數(shù)樹的原理可以參見英文維基，這里就不細(xì)說了。
1.6 Page Cache 與預(yù)讀
操作系統(tǒng)為基于 Page Cache 的讀緩存機(jī)制提供預(yù)讀機(jī)制（PAGE_READAHEAD），一個(gè)例子是：
- 用戶線程僅僅請求讀取磁盤上文件 A 的 offset 為 0-3KB 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，由于磁盤的基本讀寫單位為 block（4KB），于是操作系統(tǒng)至少會(huì)讀 0-4KB 的內(nèi)容，這恰好可以在一個(gè) page 中裝下。
- 但是操作系統(tǒng)出于局部性原理[3]會(huì)選擇將磁盤塊 offset [4KB,8KB)、[8KB,12KB) 以及 [12KB,16KB) 都加載到內(nèi)存，于是額外在內(nèi)存中申請了 3 個(gè) page；
下圖代表了操作系統(tǒng)的預(yù)讀機(jī)制：
操作系統(tǒng)的預(yù)讀機(jī)制
上圖中，應(yīng)用程序利用 read 系統(tǒng)調(diào)動(dòng)讀取 4KB 數(shù)據(jù)，實(shí)際上內(nèi)核使用 readahead 機(jī)制完成了 16KB 數(shù)據(jù)的讀取。
2、Page Cache 與文件持久化的一致性&可靠性
現(xiàn)代 Linux 的 Page Cache 正如其名，是對磁盤上 page（頁）的內(nèi)存緩存，同時(shí)可以用于讀/寫操作。一切內(nèi)存緩存都存在一致性問題：內(nèi)存中的數(shù)據(jù)與磁盤中的數(shù)據(jù)不一致，例如用作分布式中間件緩存的 Redis 就與 MySQL 等數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存在不一致。
Linux 提供多種機(jī)制來保證數(shù)據(jù)一致性，但無論是單機(jī)上的內(nèi)存與磁盤一致性，還是分布式組件中節(jié)點(diǎn) 1 與節(jié)點(diǎn) 2 、節(jié)點(diǎn) 3 的數(shù)據(jù)一致性問題，理解的關(guān)鍵是 trade-off：吞吐量與數(shù)據(jù)一致性保證是一對矛盾。
首先，需要我們理解一下文件的數(shù)據(jù)。文件 = 數(shù)據(jù) + 元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)用來描述文件的各種屬性，也必須存儲(chǔ)在磁盤上。因此，我們說保證文件一致性其實(shí)包含了兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)一致+元數(shù)據(jù)一致。
文件的元數(shù)據(jù)包括：文件大小、創(chuàng)建時(shí)間、訪問時(shí)間、屬主屬組等信息。
我們考慮如下一致性問題：如果發(fā)生寫操作并且對應(yīng)的數(shù)據(jù)在 Page Cache 中，那么寫操作就會(huì)直接作用于 Page Cache 中，此時(shí)如果數(shù)據(jù)還沒刷新到磁盤，那么內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就領(lǐng)先于磁盤，此時(shí)對應(yīng) page 就被稱為 Dirty page。
當(dāng)前 Linux 下以兩種方式實(shí)現(xiàn)文件一致性：
- Write Through（寫穿）：向用戶層提供特定接口，應(yīng)用程序可主動(dòng)調(diào)用接口來保證文件一致性；
- Write back（寫回）：系統(tǒng)中存在定期任務(wù)（表現(xiàn)形式為內(nèi)核線程），周期性地同步文件系統(tǒng)中文件臟數(shù)據(jù)塊，這是默認(rèn)的 Linux 一致性方案；
上述兩種方式最終都依賴于系統(tǒng)調(diào)用，主要分為如下三種系統(tǒng)調(diào)用：
| 方法 | 含義 |
|---|---|
| fsync(intfd) | fsync(fd)：將 fd 代表的文件的臟數(shù)據(jù)和臟元數(shù)據(jù)全部刷新至磁盤中。 |
| fdatasync(int fd) | fdatasync(fd)：將 fd 代表的文件的臟數(shù)據(jù)刷新至磁盤，同時(shí)對必要的元數(shù)據(jù)刷新至磁盤中，這里所說的必要的概念是指：對接下來訪問文件有關(guān)鍵作用的信息，如文件大小，而文件修改時(shí)間等不屬于必要信息 |
| sync() | sync()：則是對系統(tǒng)中所有的臟的文件數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)刷新至磁盤中 |
上述三種系統(tǒng)調(diào)用可以分別由用戶進(jìn)程與內(nèi)核進(jìn)程發(fā)起。下面我們研究一下內(nèi)核線程的相關(guān)特性。
1. 創(chuàng)建的針對回寫任務(wù)的內(nèi)核線程數(shù)由系統(tǒng)中持久存儲(chǔ)設(shè)備決定，為每個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備創(chuàng)建單獨(dú)的刷新線程；
2. 關(guān)于多線程的架構(gòu)問題，Linux 內(nèi)核采取了 Lighthttp 的做法，即系統(tǒng)中存在一個(gè)管理線程和多個(gè)刷新線程（每個(gè)持久存儲(chǔ)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)刷新線程）。管理線程監(jiān)控設(shè)備上的臟頁面情況，若設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)沒有產(chǎn)生臟頁面，就銷毀設(shè)備上的刷新線程；若監(jiān)測到設(shè)備上有臟頁面需要回寫且尚未為該設(shè)備創(chuàng)建刷新線程，那么創(chuàng)建刷新線程處理臟頁面回寫。而刷新線程的任務(wù)較為單調(diào)，只負(fù)責(zé)將設(shè)備中的臟頁面回寫至持久存儲(chǔ)設(shè)備中。
3. 刷新線程刷新設(shè)備上臟頁面大致設(shè)計(jì)如下：
a. 每個(gè)設(shè)備保存臟文件鏈表，保存的是該設(shè)備上存儲(chǔ)的臟文件的 inode 節(jié)點(diǎn)。所謂的回寫文件臟頁面即回寫該 inode 鏈表上的某些文件的臟頁面；
b. 系統(tǒng)中存在多個(gè)回寫時(shí)機(jī)，第一是應(yīng)用程序主動(dòng)調(diào)用回寫接口（fsync，fdatasync 以及 sync 等），第二管理線程周期性地喚醒設(shè)備上的回寫線程進(jìn)行回寫，第三是某些應(yīng)用程序/內(nèi)核任務(wù)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不足時(shí)要回收部分緩存頁面而事先進(jìn)行臟頁面回寫，設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的框架來管理這些回寫任務(wù)非常有必要。
Write Through 與 Write back 在持久化的可靠性上有所不同：
- Write Through 以犧牲系統(tǒng) I/O 吞吐量作為代價(jià)，向上層應(yīng)用確保一旦寫入，數(shù)據(jù)就已經(jīng)落盤，不會(huì)丟失；
- Write back 在系統(tǒng)發(fā)生宕機(jī)的情況下無法確保數(shù)據(jù)已經(jīng)落盤，因此存在數(shù)據(jù)丟失的問題。不過，在程序掛了，例如被 kill -9，Page Cache 中的數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)還是會(huì)確保落盤；
3、為什么使用 Page Cache 與為什么不使用 Page Cache?
3.1 Page Cache 的優(yōu)勢
1.加快數(shù)據(jù)訪問
如果數(shù)據(jù)能夠在內(nèi)存中進(jìn)行緩存，那么下一次訪問就不需要通過磁盤 I/O 了，直接命中內(nèi)存緩存即可。
由于內(nèi)存訪問比磁盤訪問快很多，因此加快數(shù)據(jù)訪問是 Page Cache 的一大優(yōu)勢。
2.減少 I/O 次數(shù)，提高系統(tǒng)磁盤 I/O 吞吐量
得益于 Page Cache 的緩存以及預(yù)讀能力，而程序又往往符合局部性原理，因此通過一次 I/O 將多個(gè) page 裝入 Page Cache 能夠減少磁盤 I/O 次數(shù)， 進(jìn)而提高系統(tǒng)磁盤 I/O 吞吐量。
3.2 Page Cache 的劣勢
page cache 也有其劣勢，最直接的缺點(diǎn)是需要占用額外物理內(nèi)存空間，物理內(nèi)存在比較緊俏的時(shí)候可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的 swap 操作，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的磁盤 I/O 負(fù)載的上升。
Page Cache 的另一個(gè)缺陷是對于應(yīng)用層并沒有提供很好的管理 API，幾乎是透明管理。應(yīng)用層即使想優(yōu)化 Page Cache 的使用策略也很難進(jìn)行。因此一些應(yīng)用選擇在用戶空間實(shí)現(xiàn)自己的 page 管理，例如 MySQL InnoDB 存儲(chǔ)引擎以 16KB 的頁進(jìn)行管理。
Page Cache 最后一個(gè)缺陷是在某些應(yīng)用場景下比 Direct I/O 多一次磁盤讀 I/O 以及磁盤寫 I/O。這一點(diǎn)可以參考[4]。
