塊設備塊緩存

① 深入理解EXT2文件系統實現原理

一 EXT2文件系統結構概覽

每一文件或目錄在磁碟上皆有inode管理自身屬性信息，數據塊存儲文件內容。inode與數據塊關聯如下圖所示：

小文件數據塊少於12個時，數據塊索引存放於inode中的'i_blocks'，文件較大時，通過間接塊存儲超12個數據塊的索引。

二 塊緩存

塊緩存用於頁緩存與塊設備原始數據讀取。頁緩存中塊緩存與頁關聯，頁釋放時緩存釋放。獨立塊緩存由lru緩存管理，頁依附於塊緩存，緩存釋放頁隨之釋放。

三 EXT2文件系統掛載

注冊ext2文件系統類型，通過函數register_filesystem添加至全局鏈表。

獲取塊設備並分配super_block，讀取超級塊數據。

文件系統操作涉及讀寫邏輯，從文件位置偏移找到數據塊塊號，讀取映射塊數據。

塊映射由函數ext2_get_block實現，包含查找文件偏移位置、檢查數據塊映射、分配空閑塊等步驟。

塊分配由ext2_new_blocks函數完成，預分配邏輯中，初始化inode預分配窗口，查找空閑空間，設置數據塊點陣圖為1。

② 濡備綍鎻愰珮linux涓嬪潡璁懼嘔O鐨勬暣浣撴ц兘

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③ linuxpagebuffercache深入理解

Page cache和buffer cache一直以來是兩個比較容易混淆的概念，在我工作的這一段時間，page cache和buffer cache的概念曾經困擾過我，如果能夠了解到這兩個cache的本質，那麼我們在分析io問題的時候可能會更加得心應手Page cache和buffer cache一直以來是兩個比較容易混淆的概念，在網上也有很多人在爭辯和猜想這兩個cache到底有什麼區別，討論到最後也一直沒有一個統一和正確的結論，在我工作的這一段時間，page cache和buffer cache的概念曾經困擾過我，但是仔細分析一下，這兩個概念實際上非常的清晰。如果能夠了解到這兩個cache的本質，那麼我們在分析io問題的時候可能會更加得心應手。
Page cache實際上是針對文件系統的，是文件的緩存，在文件層面上的數據會緩存到page cache。文件的邏輯層需要映射到實際的物理磁碟，這種映射關系由文件系統來完成。當page cache的數據需要刷新時，page cache中的數據交給buffer cache，但是這種處理在2.6版本的內核之後就變的很簡單了，沒有真正意義上的cache操作。

Buffer cache是針對磁碟塊的緩存，也就是在沒有文件系統的情況下，直接對磁碟進行操作的數據會緩存到buffer cache中，例如，文件系統的元數據都會緩存到buffer cache中。
簡單說來，page cache用來緩存文件數據，buffer cache用來緩存磁碟數據。在有文件系統的情況下，對文件操作，那麼數據會緩存到page cache，如果直接採用dd等工具對磁碟進行讀寫，那麼數據會緩存到buffer cache。

補充一點，在文件系統層每個設備都會分配一個def_blk_ops的文件操作方法，這是設備的操作方法，在每個設備的inode下面會存在一個radix tree，這個radix tree下面將會放置緩存數據的page頁。這個page的數量將會在top程序的buffer一欄中顯示。如果設備做了文件系統，那麼會生成一個inode，這個inode會分配ext3_ops之類的操作方法，這些方法是文件系統的方法，在這個inode下面同樣存在一個radix tree，這里會緩存文件的page頁，緩存頁的數量在top程序的cache一欄進行統計。從上面的分析可以看出，2.6內核中的buffer cache和page cache在處理上是保持一致的，但是存在概念上的差別，page cache針對文件的cache，buffer是針對磁碟塊數據的cache，僅此而已。

buffer 與cache 的區別
A buffer is something that has yet to be 「written」 to disk. A cache is something that has been 「read」 from the disk and stored for later use.
更詳細的解釋參考：Difference Between Buffer and Cache
對於共享內存（Shared memory），主要用於在UNIX 環境下不同進程之間共享數據，是進程間通信的一種方法，一般的應用程序不會申請使用共享內存，筆者也沒有去驗證共享內存對上面等式的影響。如果你有興趣，請參考：What is Shared Memory？

cache 和 buffer的區別：
Cache：高速緩存，是位於CPU與主內存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。由於CPU的速度遠高於主內存，CPU直接從內存中存取數據要等待一定時間周期，Cache中保存著CPU剛用過或循環使用的一部分數據，當CPU再次使用該部分數據時可從Cache中直接調用，這樣就減少了CPU的等待時間，提高了系統的效率。Cache又分為一級Cache（L1 Cache）和二級Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU內部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，現在也都集成在CPU內部，常見的容量有256KB或512KB L2 Cache.
Buffer：緩沖區，一個用於存儲速度不同步的設備或優先順序不同的設備之間傳輸數據的區域。通過緩沖區，可以使進程之間的相互等待變少，從而使從速度慢的設備讀入數據時，速度快的設備的操作進程不發生間斷。

Free中的buffer和cache：（它們都是佔用內存）：
buffer ：作為buffer cache的內存，是塊設備的讀寫緩沖區
cache：作為page cache的內存， 文件系統的cache
如果 cache 的值很大，說明cache住的文件數很多。如果頻繁訪問到的文件都能被cache住，那麼磁碟的讀IO 必會非常小。

④ 深入理解Linux 的Page Cache

深入理解Linux的Page Cache

Linux內核管理的內存區域，即Page Cache，其本質是文件I/O系統的組成部分。Page Cache通過mmap和buffered I/O將文件讀取到內存空間，實際上讀取的是Page Cache。可以通過讀取/proc/meminfo文件實時獲取系統內存情況。Page Cache的大小由多個page構成，通常為4KB大小（32bits/64bits），而Page Cache的大小則為4KB的整數倍。Linux系統內存分為用戶可訪問的內存和非用戶可訪問的內存。Page Cache並不等同於Active(file) + Inactive(file) + Shmem，內核演算法計算Page Cache為：Cached = files - SwapCached - Buffers。Page Cache包含File-backed pages和Anonymous pages。File-backed pages的內存回收代價較低，而Anonymous pages的回收代價較高。Swap機制用於物理內存不夠用時回收內存空間，當進程發現需要訪問的數據不在內存時，操作系統通過系統調用將page再次讀到內存中。操作系統選擇合適的物理內存頁驅逐回磁碟，這個過程被稱為頁面替換。Swappiness參數控制Swap機制的優先順序。buffers和cached表示當前的塊緩存和頁緩存佔用量。Page Cache用於緩存文件的頁數據，buffer cache用於緩存塊設備的塊數據。操作系統積極地將所有空閑內存都用作Page Cache和buffer cache。現代Linux的Page Cache提供預讀機制，一次系統調用讀取的數據量大於請求量。Linux提供多種機制保證數據一致性，但吞吐量與數據一致性是一對矛盾。Page Cache的主要優勢包括加快數據訪問和減少I/O次數，提高系統磁碟I/O吞吐量。Page Cache的劣勢包括需要佔用額外物理內存空間，可能導致頻繁的swap操作和磁碟I/O負載上升，以及對於應用層的管理透明，應用層難以優化Page Cache的使用策略。在某些應用場景下，Page Cache可能比Direct I/O多一次磁碟讀I/O以及磁碟寫I/O。