Linux内核设计与实现（16）第十六章：页高速缓存和页回写

1. 缓存

缓存是很常见也很有效的一种提高程序性能的机制。

定义：CPU的Cache，它中文名称是高速缓冲存储器，读写速度很快，几乎与CPU一样

背景：由于CPU的运算速度太快，内存的数据存取速度无法跟上CPU的速度，
	  所以在cpu与内存间设置了cache为cpu的数据快取区。

原理：当计算机执行程序时，数据与地址管理部件会预测可能要用到的数据和指令，
	  并将这些数据和指令预先从内存中读出送到Cache。
	  一旦需要时，先检查Cache，若有就从Cache中读取，若无再访问内存

作用：提高程序性能的机制
	  Cache就是用来解决CPU与内存之间速度不匹配的问题，
	  避免内存与辅助内存频繁存取数据，这样就提高了系统的执行效率。
	
	缓存提高性能的原理：
	1. CPU访问内存的速度远远大于访问磁盘的速度（访问速度差距不是一般的大，差好几个数量级）
	2. 数据一旦被访问，就有可能在短期内再次被访问（临时局部原理）

linux内核也不例外，为了提高I/O性能，也引入了缓存机制，即将一部分磁盘上的数据缓存到内存中。

详细参考：
缓冲区和缓存
https://blog.csdn.net/lqy971966/article/details/104497600

2. 写缓存常见的有3种策略(不缓存,写透缓存,回写)

1.不缓存(nowrite):也就是不缓存写操作
	当对缓存中的数据进行写操作时，直接写入磁盘，同时使此数据的缓存失效

2.写透缓存(write-through):写数据时同时更新磁盘和缓存
	简单，提升了读性能，写性能反而有些下降(除了写磁盘，还要写缓存)
	
3.回写:写数据时直接写到缓存，由另外的进程(回写进程)在合适的时候将数据同步到磁盘
	复杂，读写的性能都有提高(目前内核中采用的方法)
	(copy-write or write-behind)

3. 缓存回收的策略

1. 最近最少使用(LRU):每个缓存数据都有个时间戳，保存最近被访问的时间。
				回收缓存时首先回收时间戳较旧的数据。
				
2. 双链策略(LRU/2):基于LRU的改善策略
	它通过2个链表(活跃链表和非活跃链表)来模拟LRU的过程，目的是为了提高页面回收的性能。
	页面回收动作发生时，从非活跃链表的尾部开始回收页面。

4. 页高速缓存

4.1 定义：

页高速缓存缓存的是具体的物理页面
与前面章节中提到的虚拟内存空间(vm_area_struct)不同，
假设有进程创建了多个 vm_area_struct 都指向同一个文件，
那么这个 vm_area_struct 对应的 页高速缓存只有一份。
也就是磁盘上的文件缓存到内存后，它的虚拟内存地址可以有多个，但是物理内存地址却只能有一个。

4.2 大小：

页高速缓存中缓存的最小单元就是内存页
但是此内存页对应的数据不仅仅是文件系统的数据，
可以是任何基于页的对象，包括各种类型的文件和内存映射。

4.3 提高I/O性能，页高速缓存的条件

为了有效提高I/O性能，页高速缓存要需要满足以下条件：

1.能够快速检索需要的内存页是否存在
2.能够快速定位脏页面(也就是被写过，但还没有同步到磁盘上的数据)
3.页高速缓存被并发访问时，尽量减少并发锁带来的性能损失

4.4 实现

实现页高速缓存的最重要的结构体要算是 address_space ，在 <linux/fs.h

radix 树

/* 源码参照 lib/radix-tree.c */
struct radix_tree_node {
	unsigned int    height;        /* radix树的高度 */
	unsigned int    count;      /* 当前节点的子节点数目 */
	struct rcu_head    rcu_head;   /* RCU 回调函数链表 */
	void        *slots[RADIX_TREE_MAP_SIZE]; /* 节点中的slot数组 */
	unsigned long    tags[RADIX_TREE_MAX_TAGS][RADIX_TREE_TAG_LONGS]; /* slot标签 */
};

5. 页回写

5.1 回写线程 flusher

由于目前linux内核中对于「写缓存」采用的是第3种策略，所以回写的时机就显得非常重要，回写太频繁影响性能，回写太少容易造成数据丢失。
linux 页高速缓存中的回写是由内核中的一个线程(flusher 线程)来完成的。

5.2 触发回写的3种情况

flusher 线程在以下3种情况发生时，触发回写操作。

1. 当空闲内存低于一个阀值时
	空闲内存不足时，需要释放一部分缓存，由于只有不脏的页面才能被释放，
	所以要把脏页面都回写到磁盘，使其变成干净的页面。
	
2. 当脏页在内存中驻留时间超过一个阀值时
	确保脏页面不会无限期的驻留在内存中，从而减少了数据丢失的风险。
	
3. 当用户进程调用 sync() 和 fsync() 系统调用时
	给用户提供一种强制回写的方法，应对回写要求严格的场景。

5.3 回写历史发展：

5.3.1. 膝上型计算机模式

这种模式的意图是将硬盘转动的机械行为最小化，允许硬盘尽可能长时间的停滞，以此延长电池供电时间

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	该模式通过 /proc/sys/vm/laptop_mode 文件来设置。(0 - 关闭该模式  1 - 开启该模式)
	[root@localhost home]# cat /proc/sys/vm/laptop_mode
	0
	[root@localhost home]#

5.3.2. bdflush 和 pdflush (2.6版本前 flusher 线程的实现方法)

bdflush

内核线程在后台运行，系统中只有一个 bdflush 线程，当内存消耗到特定阀值以下时，bdflush 线程被唤醒

缺点：
	整个系统仅仅只有一个 bdflush 线程，当系统回写任务较重时，
	bdflush 线程可能会阻塞在某个磁盘的I/O上，导致其他磁盘的I/O回写操作不能及时执行。

pdflush

周期性的运行，写回脏页。
pdflush的数目是动态的，一定程度上缓解了 bdflush 的问题。但是由于 pdflush 是面向所有磁盘的，
所以有可能出现多个 pdflush 线程全部阻塞在某个拥塞的磁盘上，同样导致其他磁盘的I/O回写不能及时执行。

5.3.3. flusher 线程

flusher线程改善了上面出现的问题：
首先，flusher 线程的数目不是唯一的，这就避免了 bdflush 线程的问题
其次，flusher 线程不是面向所有磁盘的，而是每个 flusher 线程对应一个磁盘，
	这就避免了 pdflush 线程的问题