02 基础篇 | Page Cache是怎样产生和释放的？
2020-08-17 邵亚方
《Linux 内核技术实战课》
课程介绍
讲述：邵亚方
时长:大小9.04M
你好，我是邵亚方。
上一讲，我们主要讲了“什么是 Page Cache”（What），“为什么需要 Page Cache”（Why），我们这堂课还需要继续了解一下“How”：也就是 Page Cache 是如何产生和释放的。
在我看来，对 Page Cache 的“What-Why-How”都有所了解之后，你才会对它引发的问题，比如说 Page Cache 引起的 load 飙高问题或者应用程序的 RT 抖动问题更加了然于胸，从而防范于未然。
其实，Page Cache 是如何产生和释放的，通俗一点的说就是它的“生”（分配）与“死”（释放），即 Page Cache 的生命周期，那么接下来，我们就先来看一下它是如何“诞生”的。
Page Cache 是如何“诞生”的？
Page Cache 的产生有两种不同的方式：
Buffered I/O（标准 I/O）；
Memory-Mapped I/O（存储映射 I/O）。
这两种方式分别都是如何产生 Page ...
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邵亚方置顶2020-10-11课后作业答案： - 为什么第一次读写某个文件，Page Cache 是 Inactive 的？ 第一次读取文件后，文件内容都是inactive的，只有再次读取这些内容后，才会把它放在active链表上，处于inactive链表上的pagecache在内存紧张是会首先被回收掉，有很多情况下文件内容往往只被读一次，比如日志文件，对于这类典型的one-off文件，它们占用的pagecache需要首先被回收掉；对于业务数据，往往都会读取多次，那么他们就会被放在active链表上，以此来达到保护的目的。 - 如何让它变成 Active 的呢？ 第二次读取后，这些内容就会从inactive链表里给promote到active链表里，这也是评论区里有人提到的二次机会法。 - 在什么情况下 Active 的又会变成 Inactive 的呢？ 在内存紧张时，会进行内存回收，回收会把inactive list的部分page给回收掉，为了维持inactive/active的平衡，就需要把active list的部分page给demote到inactive list上，demote的原则也是lru。 - 系统中有哪些控制项可以影响 Inactive 与 Active Page Cache 的大小或者二者的比例？ min_free_kbytes会影响整体的pagecache大小;vfs_cache_pressure会影响在回收时回收pagecache和slab的比例; 在开启了swap的情况下，swappiness也会影响pagecache的大小；zone_reclaim_mode会影响node的pagecache大小；extfrag_threshold会影响pagecache的碎片情况。 - 对于匿名页而言，当产生一个匿名页后它会首先放在 Active 链表上，请问为什么会这样子？这是合理的吗？ 这是不合理的，内核社区目前在做这一块的改进。具体可以参考https://lwn.net/Articles/816771/。展开共 1 条评论62
zwb2020-08-21第二次机会法，避免大量只读一次的文件涌入 active，在需要回收时又从 active 移动到 inactive lru 链表。场景比如编译内核。作者回复: 理解的很正确！
共 3 条评论19
x-ray2020-09-15读这个确实需要对一些linux基础概念有一个了解。前几天刚读的时候，我连VFS都没有一个概念，读起来非常吃力，到第二章就看得云里雾里。这两天找了点视频把一些基础概念熟悉了下，今天再来看的时候，就感觉比较容易理解了。不过我有一个疑问，既然mmap映射的效率更高，为什么不都用这个呢？是因为标准IO无法像文件那样提前加载一块内存到PageCache吗？作者回复: mmap与标准io的选择要看具体的场景。很多情况下内存拷贝不会是瓶颈，比如说只写几个或者几百字节的情况下，所以使用哪种都可以；只有在内存拷贝成为瓶颈，比如读写大量文件内容的情况下，比如一次要读写几十上百M，mmap的优势才会提现出来。
共 3 条评论9- Geek_162e2a2020-08-27应用开发者的视角 第一次读写文件，PageCache是inactive的，为什么要这样设计？可能内核底层是采用类似LRU链表的设计来管理PageCache, 如果单纯照搬LRU链表的设计的话，当读大文件的时候会将原本属于热点缓存的PageCache冲刷出去，导致性能波动，因此需要对PageCache进行分类，来避免这个问题，即新读入的文件先进入inactive区域
作者回复: 理解的很准确 赞！
共 2 条评论8 - Geek_circle2020-08-25Memory-Mapped I/O（存储映射 I/O） 是否就是零拷贝的概念呢？
作者回复: 可以这么理解，它是文件内容的零拷贝。
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小白哥哥2021-05-13不认同邵老师对于pagecache产生原因的描述，应用程序调用了write，内核会根据fd当前的fpos计算出写文件操作的文件偏移，然后根据偏移去inode->mapping中找出对应的pagecache页，如果没有的话，分配一页，插入inode->mapping，然后把write调用中的buffer拷贝到pagecache中，这个过程并不会触发page fault。如果是mmap映射文件，然后直接对内存读写，才会触发page fault，进而驱动内核加载文件内容到对应的page cache中。作者回复: “这个过程并不会触发page fault”，除了这句话之外，你的其他理解是对的。 inode mapping中如果没有的话，内核会分配一个page，然后将write调用中的buffe拷贝到这个page 中，这个过程叫做pagein，它属于page fault的一种： major fault。你可以通过sar之类的工具来观察这个指标。
共 6 条评论6- Geek_162e2a2020-08-27如何让它变成Active的呢？多读几次文件，达到系统设计的值后，此文件的PageCache会变成热点数据进入Active区域。 在什么情况Active会变成inactive的呢？热点文件太多，且此文件最近没有被读取过，自然就被挤出去了，静态资源服务器，可能会比较经常出现这种情况
作者回复: 赞！
3 - 唐江2021-05-20什么地方讲了inactive 、active 是个数据结构链表啊！不是一个简单的数字吗
作者回复: proc接口中提供给用户的只是具体的数据项，这些数据项对应到内核代码则是一些数据结构。对于inactive active这两项而言，他们对应内核代码里的lru list。
2 - 地下城勇士2020-08-25老师的图是用什么工具画的？感觉以后可以尝试一下
作者回复: gliffy。chrome有插件。
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Wade_阿伟2021-07-08老师您好，看了上面老师的讲述，对存储映射I/O和标准I/O有了一定的理解。但是系统一般什么时候使用存储映射I/O，什么时候使用标准I/O呢？作者回复: 标准io相对而言更方便些，在数据量不大的情况下可以使用；如果数据量较大，此时使用存储映射io会更好些。另外一个考虑因为是对内存的精细管理，如果需要管理，比如说把某些数据锁定在内存中，这个时候使用存储映射io更好些。
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