The Page Cache and Page Writebac

page cache是kernel实现的disk cache, 这是为了减少磁盘I/O。page writeback是把page cache写回磁盘的处理过程。

• 磁盘访问速度比内存慢几个数量级
• 磁盘访问有时间局部性

所以对磁盘做内存cache会有很大的性能提升。

Approaches to Caching

• page cache大小是动态的，可以花掉全部空闲内存也可以释放降低内存压力
• backing store : 被cached的设备

一个read()调用

• cache hit
  命中cache不需要磁盘I/O
• cache miss
  需要调度block I/O操作读取数据

Write Caching

对于写cache系统一般有三种策略

• no write
  对这里来说就是直接写磁盘，invalid cache
• write through
  同时写cache更磁盘
• write-back (Linux采用的)
  写直接操作page cache, 由page cache写会磁盘
  这样可以合并和批量操作， 但会变得复杂。

Cache Eviction

Linux只会选一个clean的page evict, 如果clean的page不够就需要writeback空出更多clean page.
难点是evict哪个page， 如果能知道未来的访问就能实现最优的策略clairvoyant algorithm，但这是不可能的。

Least Recently Used

太知名了， 不说了。
注意kernel不知道文件会被访问多少次，但是它可以知道过去的访问情况。

The Two-List Strategy

修改版本的LRU: two-list strategy(LRU/2), 维护两个list

• active list
  表示访问频繁的，不拿来evict的，当一个page被访问并且在inactive list里了才会移到active list
• inactive list
  page只在inactive list 里evict

在两个列表里控制平衡，active的太多就在active的evict到inactive.
这解决了LRU use-only-once的问题， 比如扫描操作会把cache全部刷掉。

The Linux Page Cache

The address_space Object

• 一个page可能由多个不连续的disk block组成，索引是一个问题。
• Linux page cache要cache 任何page-based object, 包括何种文件跟memory mappings.
• 引入 address_space 结构用来管理cache跟page I/O操作

address_space Operations

Radix Tree

用来索引page, 每个address_space 有一个radix tree

The Old Page Hash Table

2.6前使用全局hash来索引会有这些问题

• 一个全局锁，冲突很高影响性能。
• The hash was larger than necessary because it contained all the pages in the page cache, whereas only pages pertaining to the current file were relevant. （不是很理解）
• 查找失败时性能问题，特别时需要遍历整个链表的时候
• 花费比较多内存

The Buffer Cache

disk blocks也会跟通过block I/O buffers 跟page cache绑定。buffer是disk block的内存表示。这个cache叫buffer cache, 做为page cache的一部分实现。（搞不清具体怎么协作）

The Flusher Threads

写操作在page cache里是延后的，这些dirty pages最纵需要写回到磁盘，有这三种情况：

• 可用内存少于一个阀值，write back了dirty pages才可能释放这些cache
• 脏数据老于一个阀值， 避免脏数据一直在内存
• sync() & fsync() 等系统调用。

Linux2.6 flusher threads 执行这些操作

• 第一种情况

root@july-VirtualBox:/data1/july# sysctl -a | grep 
vm.dirty_background_ratio = 10

当达到配置(dirty pages占总内存多少百分比时需要刷到磁盘)值会触发

• 第二种

root@july-VirtualBox:/data1/july# sysctl -a | grep "vm.dirty_writeback_"
vm.dirty_writeback_centisecs = 500

单位1/100,这里是5s

Laptop Mode

特殊的策略为了减少磁盘活动省点。

History: bdflush, kupdated, and pdflush

bdflush跟kupdated是2.6之前的，现在只有pdflush, pdflush的线程数是动态的，默认2～8个， pdflush线程不跟任何磁盘关联（global to all disks in the system)。容易拥塞与某个硬盘，2.6.32 flusher threads替换了pdflush. 它是 per-spindle flushing。

Avoiding Congestion with Multiple Threads

flusher threads 每个线程都会跟一个device关联，每个thread分别获取对应设备的dirty pages处理，这样工作效果很好又简单，避免以前bdflush pdflush等可能的拥塞问题，bdflush线程只有一个， pdflush threads会尽量避免拥塞的queues(没跟设备关联依然可能处理同一个设备)。

Conclusion

• page cahce可以显著的提升性能跟减少磁盘I/O。
• write-back 保持脏数据在内存延迟写到磁盘
• flusher threads 处理最终的page writeback

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reference

LKD ch16
http://sylab-srv.cs.fiu.edu/lib/exe/fetch.php?media=paperclub:lkd3ch16.pdf
https://www3.cs.stonybrook.edu/~porter/courses/cse506/f12/slides/page-cache.pdf