В следующей главе рассматривается страничный кэш - общий кэш данных, который используется для выполнения страничных операций ввода-вывода и обратной записи страниц. Оставайтесь с нами!
Глава 15
Страничный кэш и обратная запись страниц
В ядре операционной системы Linux реализован один главный дисковый кэш, который называется страничным (page cache). Назначение этого кэша — минимизировать количество дисковых операций ввода-вывода путем хранения в памяти тех данных, для обращения к которым необходимо выполнять дисковые операции, Эта глава посвящена рассмотрению страничного кэша.
Кэширование дисковых данных важно по двум причинам. Во-первых, доступ к диску выполняется значительно медленнее, чем доступ к памяти. Доступ к данным в памяти выполняется значительно быстрее, чем к данным на диске. Во-вторых, если к некоторым данным осуществлялся доступ, то с достаточно большой вероятностью к этим же данным в ближайшем будущем потребуется обратиться снова. Принцип, согласно которому операции обращения к некоторым данным имеют тенденцию группироваться друг с другом во времени, называется сосредоточенностью во времени (temporal locality). Сосредоточенность во времени гарантирует, что если данные кэшируются при первом доступе к ним, то существует большая вероятность удачного обращения в кэш к этим данным в ближайшем будущем.
Страничный кэш состоит из физических страниц, которые находятся в оперативной памяти. Каждая страница памяти в кэше соответствует нескольким дисковым блокам. Когда ядро начинает некоторую операцию страничного ввода-вывода (дисковые, обычно файловые, операции ввода-вывода, которые выполняются порциями, равными размеру страницы памяти), то оно вначале проверяет, нет ли соответствующих данных в страничном кэше. Если эти данные есть в кэше, то ядро может не обращаться к диску и использовать данные прямо из страничного кэша.
Отдельные дисковые блоки также могут быть привязаны к страничному кэшу с помощью буферов блочного ввода-вывода. Вспомните из материала главы 13, "Уровень блочного ввода-вывода", что буфер — это представление в памяти одного физического дискового блока. Буферы играют роль дескрипторов, которые отображают страницы памяти на дисковые блоки. Поэтому страничный кэш также позволяет сократить количество обращений к диску при выполнении операций блочного ввода-вывода как за счет кэширования, так и за счет буферизации операций блочного ввода-вывода для выполнения в будущем. Такой тип кэширования часто называют "буферным кэшем", хотя на самом деле это не отдельный кэш, а часть страничного кэша.
Рассмотрим те типы операций и данных, которые связаны со страничным кэшем. Страничный кэш в основном пополняется при выполнении страничных операций ввода-вывода, таких как read() и write(). Страничные операции ввода-вывода выполняются с целыми страницами памяти, в которых хранятся данные, что соответствует операциям с более, чем одним дисковым блоком. В страничном кэше данные файлов хранятся порциями. Размер одной порции равен одной странице памяти.
Операции блочного ввода-вывода работают в каждый отдельный момент времени с одним дисковым блоком. Часто встречающаяся операция блочного ввода-вывода — это чтение и запись файловых индексов. Ядро предоставляет функцию bread(), которая выполняет низкоуровневое чтение одного блока с диска. С помощью буферов дисковые блоки отображаются на связанные с ними страницы памяти и благодаря этому сохраняются в страничном кэше.
Например, при первом открытии в текстовом редакторе дискового файла с исходным кодом, данные считываются с диска и записываются в память. При редактировании файла считывается вес больше данных в страницы памяти. Когда этот файл позже начинают компилировать, то ядро может считывать соответствующие страницы памяти из дискового кэша. Нет необходимости снова считывать данные с диска. Поскольку пользователи склонны к тому, чтобы периодически работать с одними и теми же файлами, страничный кэш уменьшает необходимость выполнения большого количества дисковых операций.
Страничный кэш
Как следует из названия, страничный кэш (page cache) — это кэш страниц; памяти. Соответствующие страницы памяти получаются в результате чтения и записи обычных файлов на файловых системах, специальных файлов блочных устройств и файлов, отображаемых в память. Таким образом, в страничном кэше содержатся страницы памяти, полностью заполненные данными из файлов, к которым только что производился доступ. Перед выполнением операции страничного ввода-вывода, как, например, read()[84], ядро проверяет, есть ли те данные, которые нужно считать, в страничном кэше. Если данные находятся в кэше, то ядро может быстро возвратить требуемую страницу памяти.
Объект address_space
Физическая страница памяти может содержать данные из нескольких несмежных физических дисковых блоков[85].
Проверка наличия определенных данных в страничном кэше может быть затруднена, если смежные блоки принадлежат совершенно разным страницам памяти. Невозможно проиндексировать данные в страничном кэше, используя только имя устройства и номер блока, что было бы наиболее простым решением.
Более того, страничный кэш ядра Linux является хранилищем данных достаточно общего характера в отношении того, какие страницы памяти в нем могут кэшироваться. Первоначально страничный кэш был предложен в операционной системе System V (SVR 4) для кэширования только данных из файловых систем. Следовательно, для управления страничным кэшем операционной системы SVR 4 использовался эквивалент файлового объекта, который назывался struct vnode. Кэш операционной системы Linux разрабатывался с целью кэширования любых объектов, основанных на страницах памяти, что включает множество типов файлов и отображений в память.
Для получения необходимой общности в страничном кэше операционной системы Linux используется структура address_space (адресное пространство), которая позволяет идентифицировать страницы памяти, находящиеся в кэше. Эта структура определена в файле <linux/fs.h> следующим образом.
struct address_space {
struct inode *host; /* файловый индекс, которому
принадлежит объект */
struct radix_tree_root page_tree; /* базисное дерево
всех страниц */
spinlock_t tree_lock; /* блокировка для защиты
поля page_tree */
unsigned int i_mmap_wrltable; /* количество областей
памяти с флагом VM_SHARED */
struct prio_tree_root i_mmap; /* список всех отображений */
struct list_head i_mmap_nonlinear; /* список областей
памяти с флагом VM_NONLINEAR */
spinlock_t i_mmap_lock; /* блокировка поля i_mmap */
atomic_t truncate_count; /* счетчик запросов
truncate */
unsigned long nrpages; /* общее количество страниц */
pgoff_t writeback_index; /* смещения начала
обратной записи */
struct address_space_operations *a_ops; /* таблица операций */
84
Как было показано в главе 12," Виртуальная файловая система", операции страничного ввода-вывода непосредственно выполняются не системными вызовами read() и write(), а специфичными для файловых систем методами file->f_op->read() и file->f_op->write().
85
Например, размер страницы физической памяти для аппаратной платформы x86 равен 4 Кбайт, в то время как размер дискового блока для большинства устройств и файловых систем равен 512 байт. Следовательно, в одной странице памяти может храниться 8 блоков. Блоки не обязательно должны быть смежными, так как один файл может быть физически "разбросанным" по диску.