一文看懂 | 什么是页缓存（Page Cache）
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2021-07-09 22:11
我们知道文件一般存放在硬盘（机械硬盘或固态硬盘）中，CPU 并不能直接访问硬盘中的数据，而是需要先将硬盘中的数据读入到内存中，然后才能被 CPU 访问。
由于读写硬盘的速度比读写内存要慢很多（DDR4 内存读写速度是机械硬盘500倍，是固态硬盘的200倍），所以为了避免每次读写文件时，都需要对硬盘进行读写操作，Linux 内核使用 页缓存（Page Cache） 机制来对文件中的数据进行缓存。
本文使用的 Linux 内核版本为：Linux-2.6.23
什么是页缓存
为了提升对文件的读写效率，Linux 内核会以页大小（4KB）为单位，将文件划分为多数据块。当用户对文件中的某个数据块进行读写操作时，内核首先会申请一个内存页（称为 页缓存）与文件中的数据块进行绑定。如下图所示：
如上图所示，当用户对文件进行读写时，实际上是对文件的 页缓存 进行读写。所以对文件进行读写操作时，会分以下两种情况进行处理：
当从文件中读取数据时，如果要读取的数据所在的页缓存已经存在，那么就直接把页缓存的数据拷贝给用户即可。否则，内核首先会申请一个空闲的内存页（页缓存），然后从文件中读取数据到页缓存，并且把页缓存的数据拷贝给用户。 当向文件中写入数据时，如果要写入的数据所在的页缓存已经存在，那么直接把新数据写入到页缓存即可。否则，内核首先会申请一个空闲的内存页（页缓存），然后从文件中读取数据到页缓存，并且把新数据写入到页缓存中。对于被修改的页缓存，内核会定时把这些页缓存刷新到文件中。
页缓存的实现
前面主要介绍了页缓存的作用和原理，接下来我们将会分析 Linux 内核是怎么实现页缓存机制的。
1. address_space
在 Linux 内核中，使用 file 对象来描述一个被打开的文件，其中有个名为 f_mapping 的字段，定义如下：
struct file {
...
struct address_space *f_mapping;
};
从上面代码可以看出，f_mapping 字段的类型为 address_space 结构，其定义如下：
struct address_space {
struct inode *host; /* owner: inode, block_device */
struct radix_tree_root page_tree; /* radix tree of all pages */
rwlock_t tree_lock; /* and rwlock protecting it */
...
};
address_space 结构其中的一个作用就是用于存储文件的 页缓存，下面介绍一下各个字段的作用：
host：指向当前address_space对象所属的文件inode对象（每个文件都使用一个inode对象表示）。page_tree：用于存储当前文件的页缓存。tree_lock：用于防止并发访问page_tree导致的资源竞争问题。
从 address_space 对象的定义可以看出，文件的 页缓存 使用了 radix树 来存储。
radix树：又名基数树，它使用键值（key-value）对的形式来保存数据，并且可以通过键快速查找到其对应的值。内核以文件读写操作中的数据偏移量作为键，以数据偏移量所在的页缓存作为值，存储在address_space结构的page_tree字段中。
下图展示了上述各个结构之间的关系：
如果对 radix树 不太了解，可以简单将其看成可以通过文件偏移量快速找到其所在 页缓存 的结构，有机会我会另外写一篇关于 radix树 的文章。
2. 读文件操作
现在我们来分析一下读取文件数据的过程，用户可以通过调用 read 系统调用来读取文件中的数据，其调用链如下：
read()
└→ sys_read()
└→ vfs_read()
└→ do_sync_read()
└→ generic_file_aio_read()
└→ do_generic_file_read()
└→ do_generic_mapping_read()
从上面的调用链可以看出，read 系统调用最终会调用 do_generic_mapping_read 函数来读取文件中的数据，其实现如下：
void
do_generic_mapping_read(struct address_space *mapping,
struct file_ra_state *_ra,
struct file *filp,
loff_t *ppos,
read_descriptor_t *desc,
read_actor_t actor)
{
struct inode *inode = mapping->host;
unsigned long index;
struct page *cached_page;
...
cached_page = NULL;
index = *ppos >> PAGE_CACHE_SHIFT;
...
for (;;) {
struct page *page;
...
find_page:
// 1. 查找文件偏移量所在的页缓存是否存在
page = find_get_page(mapping, index);
if (!page) {
...
// 2. 如果页缓存不存在, 那么跳到 no_cached_page 进行处理
goto no_cached_page;
}
...
page_ok:
...
// 3. 如果页缓存存在, 那么把页缓存的数据拷贝到用户应用程序的内存中
ret = actor(desc, page, offset, nr);
...
if (ret == nr && desc->count)
continue;
goto out;
...
readpage:
// 4. 从文件读取数据到页缓存中
error = mapping->a_ops->readpage(filp, page);
...
goto page_ok;
...
no_cached_page:
if (!cached_page) {
// 5. 申请一个内存页作为页缓存
cached_page = page_cache_alloc_cold(mapping);
...
}
// 6. 把新申请的页缓存添加到文件页缓存中
error = add_to_page_cache_lru(cached_page, mapping, index, GFP_KERNEL);
...
page = cached_page;
cached_page = NULL;
goto readpage;
}
out:
...
}
do_generic_mapping_read 函数的实现比较复杂，经过精简后，上面代码只留下最重要的逻辑，可以归纳为以下几个步骤：
通过调用 find_get_page函数查找要读取的文件偏移量所对应的页缓存是否存在，如果存在就把页缓存中的数据拷贝到应用程序的内存中。否则调用 page_cache_alloc_cold函数申请一个空闲的内存页作为新的页缓存，并且通过调用add_to_page_cache_lru函数把新申请的页缓存添加到文件页缓存和 LRU 队列中（后面会介绍）。通过调用 readpage接口从文件中读取数据到页缓存中，并且把页缓存的数据拷贝到应用程序的内存中。
从上面代码可以看出，当页缓存不存在时会申请一块空闲的内存页作为页缓存，并且通过调用 add_to_page_cache_lru 函数把其添加到文件的页缓存和 LRU 队列中。我们来看看 add_to_page_cache_lru 函数的实现：
int add_to_page_cache_lru(struct page *page, struct address_space *mapping,
pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
// 1. 把页缓存添加到文件页缓存中
int ret = add_to_page_cache(page, mapping, offset, gfp_mask);
if (ret == 0)
lru_cache_add(page); // 2. 把页缓存添加到 LRU 队列中
return ret;
}
add_to_page_cache_lru 函数主要完成两个工作：
通过调用 add_to_page_cache函数把页缓存添加到文件页缓存中，也就是添加到address_space结构的page_tree字段中。通过调用 lru_cache_add函数把页缓存添加到 LRU 队列中。LRU 队列用于当系统内存不足时，对页缓存进行清理时使用。
总结
本文主要介绍了 页缓存 的作用和原理，并且介绍了在读取文件数据时对页缓存的处理过程。本文并没有介绍写文件操作对应的页缓存处理和当系统内存不足时怎么释放页缓存，有兴趣的话可以自行阅读相关的代码实现。