文件 Cache 管理是 Linux 內核中一個很重要并且較難理解的組成部分。本文詳細介紹了 Linux 內核中文件 Cache 管理的各個方面，希望能夠對開發者理解相關代碼有所幫助。

1 前言

自從誕生以來，Linux 就被不斷完善和普及，目前它已經成為主流通用操作系統之一，使用得非常廣泛，它與 Windows、UNIX 一起占據了操作系統領域幾乎所有的市場份額。特別是在高性能計算領域，Linux 已經成為一個占主導地位的操作系統，在2005年6月全球TOP500 計算機中，有 301 臺部署的是 Linux 操作系統。因此，研究和使用 Linux 已經成為開發者的不可回避的問題了。

下面我們介紹一下 Linux 內核中文件 Cache 管理的機制。本文以 2.6 系列內核為基準，主要講述工作原理、數據結構和算法，不涉及具體代碼。

2 操作系統和文件 Cache 管理

操作系統是計算機上最重要的系統軟件，它負責管理各種物理資源，并向應用程序提供各種抽象接口以便其使用這些物理資源。從應用程序的角度看，操作系統提供了一個統一的虛擬機，在該虛擬機中沒有各種機器的具體細節，只有進程、文件、地址空間以及進程間通信等邏輯概念。這種抽象虛擬機使得應用程序的開發變得相對容易：開發者只需與虛擬機中的各種邏輯對象交互，而不需要了解各種機器的具體細節。此外，這些抽象的邏輯對象使得操作系統能夠很容易隔離并保護各個應用程序。

對于存儲設備上的數據，操作系統向應用程序提供的邏輯概念就是"文件"。應用程序要存儲或訪問數據時，只需讀或者寫"文件"的一維地址空間即可，而這個地址空間與存儲設備上存儲塊之間的對應關系則由操作系統維護。

在 Linux 操作系統中，當應用程序需要讀取文件中的數據時，操作系統先分配一些內存，將數據從存儲設備讀入到這些內存中，然后再將數據分發給應用程序；當需要往文件中寫數據時，操作系統先分配內存接收用戶數據，然后再將數據從內存寫到磁盤上。文件 Cache 管理指的就是對這些由操作系統分配，并用來存儲文件數據的內存的管理。 Cache 管理的優劣通過兩個指標衡量：一是 Cache 命中率，Cache 命中時數據可以直接從內存中獲取，不再需要訪問低速外設，因而可以顯著提高性能；二是有效 Cache 的比率，有效 Cache 是指真正會被訪問到的 Cache 項，如果有效 Cache 的比率偏低，則相當部分磁盤帶寬會被浪費到讀取無用 Cache 上，而且無用 Cache 會間接導致系統內存緊張，最后可能會嚴重影響性能。

下面分別介紹文件 Cache 管理在 Linux 操作系統中的地位和作用、Linux 中文件 Cache相關的數據結構、Linux 中文件 Cache 的預讀和替換、Linux 中文件 Cache 相關 API 及其實現。

2 文件 Cache 的地位和作用

文件 Cache 是文件數據在內存中的副本，因此文件 Cache 管理與內存管理系統和文件系統都相關：一方面文件 Cache 作為物理內存的一部分，需要參與物理內存的分配回收過程，另一方面文件 Cache 中的數據來源于存儲設備上的文件，需要通過文件系統與存儲設備進行讀寫交互。從操作系統的角度考慮，文件 Cache 可以看做是內存管理系統與文件系統之間的聯系紐帶。因此，文件 Cache 管理是操作系統的一個重要組成部分，它的性能直接影響著文件系統和內存管理系統的性能。

圖1描述了 Linux 操作系統中文件 Cache 管理與內存管理以及文件系統的關系示意圖。從圖中可以看到，在 Linux 中，具體文件系統，如 ext2/ext3、jfs、ntfs 等，負責在文件 Cache和存儲設備之間交換數據，位于具體文件系統之上的虛擬文件系統VFS負責在應用程序和文件 Cache 之間通過 read/write 等接口交換數據，而內存管理系統負責文件 Cache 的分配和回收，同時虛擬內存管理系統(VMM)則允許應用程序和文件 Cache 之間通過 memory map的方式交換數據。可見，在 Linux 系統中，文件 Cache 是內存管理系統、文件系統以及應用程序之間的一個聯系樞紐。

3 文件 Cache 相關數據結構

3 文件 Cache 相關數據結構

在 Linux 的實現中，文件 Cache 分為兩個層面，一是 Page Cache，另一個 Buffer Cache，每一個 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。內存管理系統和 VFS 只與 Page Cache 交互，內存管理系統負責維護每項 Page Cache 的分配和回收，同時在使用 memory map 方式訪問時負責建立映射；VFS 負責 Page Cache 與用戶空間的數據交換。而具體文件系統則一般只與 Buffer Cache 交互，它們負責在外圍存儲設備和 Buffer Cache 之間交換數據。Page Cache、Buffer Cache、文件以及磁盤之間的關系如圖 2 所示，Page 結構和 buffer_head 數據結構的關系如圖 3 所示。在上述兩個圖中，假定了 Page 的大小是 4K，磁盤塊的大小是 1K。本文所講述的，主要是指對 Page Cache 的管理。

在 Linux 內核中，文件的每個數據塊最多只能對應一個 Page Cache 項，它通過兩個數據結構來管理這些 Cache 項，一個是 radix tree，另一個是雙向鏈表。Radix tree 是一種搜索樹，Linux 內核利用這個數據結構來通過文件內偏移快速定位 Cache 項，圖 4 是 radix tree的一個示意圖，該 radix tree 的分叉為4(22)，樹高為4，用來快速定位8位文件內偏移。Linux(2.6.7) 內核中的分叉為 64(26)，樹高為 6(64位系統)或者 11(32位系統)，用來快速定位 32 位或者 64 位偏移，radix tree 中的每一個葉子節點指向文件內相應偏移所對應的Cache項。

另一個數據結構是雙向鏈表，Linux內核為每一片物理內存區域(zone)維護active_list和inactive_list兩個雙向鏈表，這兩個list主要用來實現物理內存的回收。這兩個鏈表上除了文件Cache之外，還包括其它匿名(Anonymous)內存，如進程堆棧等。