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Page Cache 与 I/O

覆盖: address_space → radix tree/xarray → readahead → writeback → direct I/O → folio (5.16+) 内核版本: 2.6 ~ 6.x，重点标注 folio 转换

概述

Page cache 是内核中最核心的缓存层——它位于 VFS 和文件系统之间，缓存从磁盘读出的页面。大多数 read() 系统调用永远不会触及磁盘，因为它们命中了 page cache。同样，大多数 write() 只修改 page cache 中的页面，后台 flusher 线程异步写回。

Page cache 的底层数据结构在 5.x 系列经历了重大重构：从 radix tree 升级到 xarray (5.0)，再到 folio (5.16+)——将内存管理的基本单位从"单个 4KB 页面"提升为"可能包含多个页面的复合页"。

address_space

// include/linux/fs.h
struct address_space {
    struct inode        *host;              // 所属 inode
    struct xarray       i_pages;            // page cache (page->index → page)
    
    unsigned long       nrpages;            // 缓存的总页面数
    unsigned long       nrexceptional;      // shadow/swap entries

    const struct address_space_operations *a_ops;
    // → read_folio, writepages, readahead, write_begin, write_end, ...

    struct list_head    i_private_list;
    struct address_space *private_data;
};

每个文件 (inode->i_mapping) 有自己的 address_space。page cache 是 per-file 的：address_space->i_pages 是该文件所有缓存页面的 xarray。

Xarray: 取代 Radix Tree

// include/linux/xarray.h
// 5.0 引入: 替换旧的 radix tree
// 更简单的 API, 内置 RCU 保护, 支持 range locking

// 关键操作:
void *xa_store(struct xarray *xa, unsigned long index, void *entry, gfp_t gfp);
void *xa_load(struct xarray *xa, unsigned long index);
void *xa_erase(struct xarray *xa, unsigned long index);

// 对于 page cache:
//   index = page->index (在文件中的偏移, 以 PAGE_SIZE 为单位)
//   entry = folio (5.16+) 或 page

Folio: 复合页管理

// include/linux/page-flags.h
// 5.16+: 将 page cache 的基本单位从 page 提升为 folio

struct folio {
    struct page page;           // "头页"
    // folio 可以包含多个连续的 page
    //   folio_nr_pages(folio)  返回总页数
    //   folio_page(folio, n)   返回第 n 个子页
};

// 为什么需要 folio?
//   旧: page cache 用 PAGE_SIZE (4KB) 为单位
//       THP (2MB) 需要特殊的 compound page 处理
//       到处是 if (PageTransHuge(page)) 的分支
//
//   新: folio 统一处理 4KB page, 2MB THP, 未来的 mTHP
//       VFS 和文件系统只操作 folio, 不需要知道内部有多少页
//       代码简化, bug 减少

读路径: 从 Page Cache 到 bio

flowchart TD
    START["read() → filemap_read()<br/>遍历每个 folio"]

    START --> LOOKUP["filemap_get_entry()<br/>xa_load(&mapping->i_pages, index)"]

    LOOKUP --> HIT{"page cache<br/>命中?"}

    HIT -->|"✅ 命中 (folio uptodate)"| COPY["copy_folio_to_iter()<br/>→ copy_to_user()<br/>→ 返回用户空间"]

    HIT -->|"❌ 未命中"| MISS["filemap_read_folio()<br/>→ readahead / read_folio"]

    MISS --> ALLOC["分配新 folio<br/>(order 0 或 THP order)"]
    ALLOC --> BIO["提交 bio 到块层<br/>(submit_bio)"]
    BIO --> WAIT["等待 bio 完成<br/>(lock_folio)"]
    WAIT --> UPTODATE["标记 folio uptodate<br/>→ 插入 xarray"]
    UPTODATE --> COPY

    COPY --> ACCESS["file_accessed(folio)<br/>更新 LRU (标记 accessed)"]
    ACCESS --> DONE["返回用户空间 ✅"]

    classDef start fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
    classDef decision fill:#fff3e0,stroke:#ef6c00
    classDef io fill:#ffebee,stroke:#c62828
    classDef done fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
    class START start
    class HIT decision
    class MISS,ALLOC,BIO,WAIT,UPTODATE io
    class COPY,ACCESS,DONE done

Readahead

// mm/readahead.c
// 内核不会只读请求的 4KB, 而是"预读"更多

// 两种预读:
//   1. 同步预读 (synchronous):
//      当前读取触发 page cache miss
//      → 除当前页外, 还读后面的连续页 (如 128KB)
//      → 减少后续 page fault
//
//   2. 异步预读 (asynchronous):
//      检测到顺序读模式 → 提前触发后台 IO
//      → 用户空间还没请求, 内核已经在读了
//      由 ondemand_readahead() 实现, 跟踪读模式

// page_cache_sync_readahead() → 同步
// page_cache_async_readahead()  → 异步

写路径: Page Cache + Writeback

flowchart TD
    START["write() → generic_perform_write()<br/>遍历每个 folio"]

    START --> WB["a_ops->write_begin()<br/>找到或分配 folio<br/>(grab_cache_folio_write_begin)"]

    WB --> RMW{"写覆盖<br/>整页?"}
    RMW -->|"否 → 部分写"| READ_IN["先从磁盘读入未覆盖部分<br/>(read-modify-write)"]
    RMW -->|"是"| LOCK["lock_folio"]
    READ_IN --> LOCK

    LOCK --> COPY["copy_page_from_iter()<br/>→ copy_from_user()<br/>用户数据 → folio"]

    COPY --> WE["a_ops->write_end()"]
    WE --> DIRTY["标记 folio dirty<br/>(folio_mark_dirty)"]
    WE --> ISIZE["更新 i_size<br/>(如果扩展了文件)"]
    WE --> UNLOCK["unlock_folio"]
    DIRTY --> BALANCE
    ISIZE --> BALANCE
    UNLOCK --> BALANCE

    BALANCE["balance_dirty_pages()<br/>限流: dirty 页面太多?"]
    BALANCE -->|"超过阈值"| WAIT["等待后台回写"]
    WAIT --> NEXT["下一个 folio"]
    BALANCE -->|"正常"| NEXT

    classDef start fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
    classDef decision fill:#fff3e0,stroke:#ef6c00
    classDef step fill:#f3e5f5,stroke:#7b1fa2
    classDef risky fill:#ffebee,stroke:#c62828
    class START start
    class RMW decision
    class WB,READ_IN,LOCK,COPY,WE,DIRTY,ISIZE,UNLOCK,NEXT step
    class BALANCE,WAIT risky


### Writeback 机制

```c
// fs/fs-writeback.c + mm/page-writeback.c
// 回写由后台 flusher 线程完成 (每个 bdi 一个)
// bdi = Block Device I/O context

// 触发条件:
//   1. 周期性: flusher 线程每 5 秒醒来 (dirty_writeback_centisecs)
//   2. 脏页超时: dirty_expire_centisecs (30 秒)
//   3. 脏页太多: dirty_ratio (20% of total memory)
//   4. fsync / sync 系统调用

// 阈值控制 (通过 /proc/sys/vm/):
//   dirty_background_ratio: 达到后启动后台回写 (默认 10%)
//   dirty_ratio:            达到后阻塞写者 (默认 20%)

Direct I/O

// fs/direct-io.c (旧) / fs/iomap/direct-io.c (新, iomap based)
// O_DIRECT: 绕过 page cache, 直接读/写磁盘

// 关键约束:
//   1. 必须 sector-aligned (512B / 4KB)
//   2. 写操作是同步的 (不会因为 dirty page cache 而"假完成")
//   3. 用户缓冲区和磁盘之间无内核缓存 (page cache 不参与)

// 实现 (iomap 版本):
__iomap_dio_rw()
  ├─ 数据直接通过 bio 提交 → 块设备
  ├─ 用户缓冲区的页被 pin (get_user_pages_fast)
  ├─ bio 完成后直接 unpin
  └─ 不需要 page cache 参与

调试

# Page cache 使用
cat /proc/meminfo | grep -E 'Cached|Dirty|Writeback|WritebackTmp'
# Cached:     page cache (文件页)
# Dirty:      脏页 (待回写)
# Writeback:  正在回写的页

# 手动触发回写
sync
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches  # 清 page cache (测试用)

# 按文件查看 page cache
vmtouch /path/to/file  # 需要安装 vmtouch

# 回写统计
cat /proc/vmstat | grep -E 'nr_dirty|nr_writeback|pgwrite'

参考与延伸

  • 内核文档: Documentation/filesystems/vfs.rst, Documentation/core-api/xarray.rst
  • LWN:
    • "The folio conversion" 系列 (lwn.net/Articles/849538/)
    • "Better writeback with iomap" (lwn.net/Articles/869187/)
  • 源码文件:
    • mm/filemap.c — page cache 核心 (读路径)
    • mm/page-writeback.c — writeback 阈值与限流
    • fs/fs-writeback.c — flusher 线程
    • mm/readahead.c — 预读
    • lib/xarray.c — Xarray 实现
    • include/linux/page-flags.h — folio 定义

关键词: page cache, address_space, xarray, folio, readahead, writeback, flusher, O_DIRECT, iomap, dirty_ratio

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