一、PageCache介绍：
Page cache是通过将磁盘中的数据缓存到内存中，从而减少磁盘I/O操作，从而提高性能。此外，
还要确保在page cache中的数据更改时能够被同步到磁盘上，后者被称为page回写（page writeback）。
一个inode对应一个page cache对象，一个page cache对象包含多个物理page。
１、PageCache的作用：
- 缓存 I/O 使用了操作系统内核缓冲区，在一定程度上分离了应用程序空间和实际的物理设备。
- 缓存 I/O 可以减少读盘的次数，从而提高性能。
linux对文件的访问除了显示使用O_DIRECT标志，所有的访问都会经过pagecache。如下可以看到
读文件的两种方式，一种带O_DIRECT标志的会直接读取磁盘中的数据，另外一种是先进行预读操作，
看PageCache中是否有对应的数据(radix基树)，如果有直接将对应的数据返回，这样进行的读取的操作
速度很快，不在PageCache中则将对应的数据读取到内存中，O_DIRECT标志通常用于操作大文件和
访问次数较少的文件：
２、page cache的管理：
在Linux内核中，文件的每个数据块最多只能对应一个page cache项，它通过两个数据结构来管理这些cache项，
一个是radix tree，另一个是双向链表。Radix tree是一种搜索树，Linux内核利用这个数据结构，快速查找脏的(dirty)
和回写的（writeback）页面，得到其文件内偏移，从而对page cache进行快速定位。
一个文件的 page cache 结构。文件被分割为一个个以 page 大小为单元的数据块,这些数据块（页）被组织成一
个多叉树（称为 radix 树）。树中所有叶子节点为一个个页帧结构（struct page），表示了用于缓存该文件的每一个页。
在叶子层最左端的第一个页保存着该文件的前4096个字节（如果页的大小为4096字节），接下来的页保存着文件第二
个4096个字节，依次类推。树中的所有中间节点为组织节点，指示某一地址上的数据所在的页。此树的层次可以从0层
到6层，所支持的文件大小从0字节到16 T 个字节。树的根节点指针可以从和文件相关的 address_space 对象（该对象
保存在和文件关联的 inode 对象中）。
二、page cache机制写回时机writeBack：
1、写入时机：
当内核发起一个写请求时（例如进程发起write()请求），同样是直接往cache中写入，后备存储中的内容不会
直接更新。内核会将被写入的page标记为dirty，并将其加入dirty list中。内核会周期性地将dirty list中的page写回
到磁盘上，从而使磁盘上的数据和内存中缓存的数据一致。
Page cache推迟了文件写入后备存储的时间，但是dirty page最终还是要被写回磁盘的。
内核在下面三种情况下会进行会将dirty page写回磁盘：
- 用户进程调用sync() 和 fsync()系统调用
- 空闲内存低于特定的阈值（threshold）
- Dirty数据在内存中驻留的时间超过一个特定的阈值
线程群的特点是让一个线程负责一个存储设备（比如一个磁盘驱动器），多少个存储设备就用多少个线程。这
样可以避免阻塞或者竞争的情况，提高效率。当空闲内存低于阈值时，内核就会调用wakeup_flusher_threads()来
唤醒一个或者多个flusher线程，将数据写回磁盘。为了避免dirty数据在内存中驻留过长时间（避免在系统崩溃时丢
失过多数据），内核会定期唤醒一个flusher线程，将驻留时间过长的dirty数据写回磁盘。
2、数据的写入：
一次写数据的典型流程（不考虑异常和其它特殊情况）：
1、数据在用户态的 buffer 中，调用 write 将数据传给内核；
2、数据在 Page Cache 中，返回写入的字节数（成功返回）；
3、内核将数据刷新到磁盘。
相关的控制参数有：
sysctl -a | grep dirty
vm.dirty_background_bytes = 0
vm.dirty_background_ratio = 5
vm.dirty_bytes = 0
vm.dirty_expire_centisecs = 3000
vm.dirty_ratio = 10
vm.dirty_writeback_centisecs = 500- dirty_writeback_centisecs 表示多久唤醒一次刷新脏页的后台线程。这里的500表示５秒唤醒一次。
- dirty_expire_centisecs 表示脏数据多久会被刷新到磁盘上。这里的3000表示 30秒。
- dirty_background_ratio 表示当脏页占总内存的的百分比超过这个值时，后台线程开始刷新脏页。这个值如果设置得太小，可能不能很好地利用内存加速文件操作。如果设置得太大，则会周期性地出现一个写 IO 的峰值。
- dirty_ratio 当脏页占用的内存百分比超过此值时，内核会阻塞掉写操作，并开始刷新脏页。
- dirty_background_bytes、dirty_bytes 是和 dirty_background_ratio、dirty_ratio 表示同样意义的不同单位的表示。两者不会同时生效。
参考链接：
https://cloud.tencent.com/developer/article/1143727
作者：frank_zyp
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