块设备块缓存

① 深入理解EXT2文件系统实现原理

一 EXT2文件系统结构概览

每一文件或目录在磁盘上皆有inode管理自身属性信息，数据块存储文件内容。inode与数据块关联如下图所示：

小文件数据块少于12个时，数据块索引存放于inode中的'i_blocks'，文件较大时，通过间接块存储超12个数据块的索引。

二 块缓存

块缓存用于页缓存与块设备原始数据读取。页缓存中块缓存与页关联，页释放时缓存释放。独立块缓存由lru缓存管理，页依附于块缓存，缓存释放页随之释放。

三 EXT2文件系统挂载

注册ext2文件系统类型，通过函数register_filesystem添加至全局链表。

获取块设备并分配super_block，读取超级块数据。

文件系统操作涉及读写逻辑，从文件位置偏移找到数据块块号，读取映射块数据。

块映射由函数ext2_get_block实现，包含查找文件偏移位置、检查数据块映射、分配空闲块等步骤。

块分配由ext2_new_blocks函数完成，预分配逻辑中，初始化inode预分配窗口，查找空闲空间，设置数据块位图为1。

② 濡备綍鎻愰珮linux涓嫔潡璁惧呕O镄勬暣浣撴ц兘

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③ linuxpagebuffercache深入理解

Page cache和buffer cache一直以来是两个比较容易混淆的概念，在我工作的这一段时间，page cache和buffer cache的概念曾经困扰过我，如果能够了解到这两个cache的本质，那么我们在分析io问题的时候可能会更加得心应手Page cache和buffer cache一直以来是两个比较容易混淆的概念，在网上也有很多人在争辩和猜想这两个cache到底有什么区别，讨论到最后也一直没有一个统一和正确的结论，在我工作的这一段时间，page cache和buffer cache的概念曾经困扰过我，但是仔细分析一下，这两个概念实际上非常的清晰。如果能够了解到这两个cache的本质，那么我们在分析io问题的时候可能会更加得心应手。
Page cache实际上是针对文件系统的，是文件的缓存，在文件层面上的数据会缓存到page cache。文件的逻辑层需要映射到实际的物理磁盘，这种映射关系由文件系统来完成。当page cache的数据需要刷新时，page cache中的数据交给buffer cache，但是这种处理在2.6版本的内核之后就变的很简单了，没有真正意义上的cache操作。

Buffer cache是针对磁盘块的缓存，也就是在没有文件系统的情况下，直接对磁盘进行操作的数据会缓存到buffer cache中，例如，文件系统的元数据都会缓存到buffer cache中。
简单说来，page cache用来缓存文件数据，buffer cache用来缓存磁盘数据。在有文件系统的情况下，对文件操作，那么数据会缓存到page cache，如果直接采用dd等工具对磁盘进行读写，那么数据会缓存到buffer cache。

补充一点，在文件系统层每个设备都会分配一个def_blk_ops的文件操作方法，这是设备的操作方法，在每个设备的inode下面会存在一个radix tree，这个radix tree下面将会放置缓存数据的page页。这个page的数量将会在top程序的buffer一栏中显示。如果设备做了文件系统，那么会生成一个inode，这个inode会分配ext3_ops之类的操作方法，这些方法是文件系统的方法，在这个inode下面同样存在一个radix tree，这里会缓存文件的page页，缓存页的数量在top程序的cache一栏进行统计。从上面的分析可以看出，2.6内核中的buffer cache和page cache在处理上是保持一致的，但是存在概念上的差别，page cache针对文件的cache，buffer是针对磁盘块数据的cache，仅此而已。

buffer 与cache 的区别
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.
更详细的解释参考：Difference Between Buffer and Cache
对于共享内存（Shared memory），主要用于在UNIX 环境下不同进程之间共享数据，是进程间通信的一种方法，一般的应用程序不会申请使用共享内存，笔者也没有去验证共享内存对上面等式的影响。如果你有兴趣，请参考：What is Shared Memory？

cache 和 buffer的区别：
Cache：高速缓存，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期，Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就减少了CPU的等待时间，提高了系统的效率。Cache又分为一级Cache（L1 Cache）和二级Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU内部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，现在也都集成在CPU内部，常见的容量有256KB或512KB L2 Cache.
Buffer：缓冲区，一个用于存储速度不同步的设备或优先级不同的设备之间传输数据的区域。通过缓冲区，可以使进程之间的相互等待变少，从而使从速度慢的设备读入数据时，速度快的设备的操作进程不发生间断。

Free中的buffer和cache：（它们都是占用内存）：
buffer ：作为buffer cache的内存，是块设备的读写缓冲区
cache：作为page cache的内存， 文件系统的cache
如果 cache 的值很大，说明cache住的文件数很多。如果频繁访问到的文件都能被cache住，那么磁盘的读IO 必会非常小。

④ 深入理解Linux 的Page Cache

深入理解Linux的Page Cache

Linux内核管理的内存区域，即Page Cache，其本质是文件I/O系统的组成部分。Page Cache通过mmap和buffered I/O将文件读取到内存空间，实际上读取的是Page Cache。可以通过读取/proc/meminfo文件实时获取系统内存情况。Page Cache的大小由多个page构成，通常为4KB大小（32bits/64bits），而Page Cache的大小则为4KB的整数倍。Linux系统内存分为用户可访问的内存和非用户可访问的内存。Page Cache并不等同于Active(file) + Inactive(file) + Shmem，内核算法计算Page Cache为：Cached = files - SwapCached - Buffers。Page Cache包含File-backed pages和Anonymous pages。File-backed pages的内存回收代价较低，而Anonymous pages的回收代价较高。Swap机制用于物理内存不够用时回收内存空间，当进程发现需要访问的数据不在内存时，操作系统通过系统调用将page再次读到内存中。操作系统选择合适的物理内存页驱逐回磁盘，这个过程被称为页面替换。Swappiness参数控制Swap机制的优先级。buffers和cached表示当前的块缓存和页缓存占用量。Page Cache用于缓存文件的页数据，buffer cache用于缓存块设备的块数据。操作系统积极地将所有空闲内存都用作Page Cache和buffer cache。现代Linux的Page Cache提供预读机制，一次系统调用读取的数据量大于请求量。Linux提供多种机制保证数据一致性，但吞吐量与数据一致性是一对矛盾。Page Cache的主要优势包括加快数据访问和减少I/O次数，提高系统磁盘I/O吞吐量。Page Cache的劣势包括需要占用额外物理内存空间，可能导致频繁的swap操作和磁盘I/O负载上升，以及对于应用层的管理透明，应用层难以优化Page Cache的使用策略。在某些应用场景下，Page Cache可能比Direct I/O多一次磁盘读I/O以及磁盘写I/O。