Page Cache 与 I/O：缓存、写回和持久化

写入几秒很快，持续写入却降速；write 成功之后，fsync 仍可能报错。Page Cache 既保存内容，也协调并发填充、脏页预算和完成边界⁠。

1. 缓存以文件内容组织，不按每个 fd 复制

常规文件的 inode 通常通过 i_mapping 关联 address_space；其中 i_pages 用 XArray 索引缓存内容。名字不同但指向同一 inode 的硬链接，以及独立 open 得到的多个 fd，通常共享这份内容缓存。address_space 不是进程的虚拟地址空间 mm_struct。

手算：文件偏移 10000 落在哪个索引

假设 PAGE_SIZE=4096 字节，10000 = 2 × 4096 + 1808：缓存索引为 2，页内偏移为 1808。

索引单位是基础页大小，不是文件系统块、设备逻辑扇区，也不是 folio 个数。基础页大小仍依架构与内核配置而定。

为什么引入 folio

folio 表示一组按整体管理、物理连续的基础页，大小为基础页的二次幂倍数，可以只有一页。明确“这里操作的是整组页”能减少把 compound page 尾页误当独立对象的歧义，也有助于批量管理缓存。

大 folio 不意味着所有文件都使用 2 MiB 页，也不意味着文件系统无需关心大小。分配能力、对齐、文件系统支持、读写有效范围、回收和拆分都会影响实际选择。一个跨多个基础页的 folio 仍按文件页索引覆盖相应范围，不能把索引改算成“第几个 folio”。

XArray 支持多索引条目、标记和并发查找，但查到的条目不一定是普通指针，也可能是 shadow/swap 等值条目。它的内部同步不自动解决所存对象的寿命或文件范围锁定；页缓存代码应使用相应 filemap/folio 接口，不能直接 xa_store() 一个指针就认为已完成插入、引用和记账。见 XArray 文档。

2. 读路径：存在于缓存不等于数据已可用

一次缓冲读取需要定位请求范围、取得有效引用、确认对应内容就绪，才能复制到用户缓冲区。若 folio 正由另一请求填充，读取者可能等待；缓存命中因此不保证零等待。文件系统可能按块追踪部分有效状态，整 folio 的 uptodate 与某一范围已有效也要区分。

多个请求读取同一未缓存范围时，需要围绕同一份填充状态协调：

1. 建立候选。 分配并尝试插入锁定的 folio，处理并发插入竞争。
2. 推进填充。 发起后端读取，其他请求可等待正在填充的对象。
3. 发布结果。 I/O 完成后更新有效状态、解锁并唤醒等待者。

若各请求在缓存外独立读完，最后再无条件插入，会难以避免重复填充。实际路径还要处理截断与 I/O 错误。

后端不必产生 bio：本地块文件系统可能通过块层，NFS 使用网络请求，tmpfs 的后备方式又不同。file_accessed(file) 与访问时间相关，不能写成接收 folio 并更新 LRU 的缓存访问标记函数。

预读是在赌下一次访问

顺序访问适合提前读后面的范围，让后端 I/O 与应用计算重叠。随机跳转或工作集远大于内存时，过量预读可能浪费带宽并挤走有用缓存。

“同步预读”通常指当前缓存缺失触发的预读路径；“异步预读”常由消费到预读窗口中的触发标记来推进窗口。这里的命名不表示同步路径必须等待整个预读窗口完成，也不等于固定预读 128 KiB。窗口受访问历史、文件边界、设备设置和实现策略影响。见 页缓存与预读 API。

3. 写路径：先保证局部内容正确，再管理脏数据

缓冲写入取得相应缓存范围，把用户数据复制进去，更新大小及脏状态。部分覆盖原有文件块时，可能需要先读取未覆盖的旧内容；若旧内容已在缓存，或范围是新分配、空洞且应为零，就不必机械地先读磁盘。不同文件系统可使用 buffer-head 或 iomap 等路径，不能把一条固定函数链当作所有实现。

dirty 表示有尚需写回的修改；writeback 表示某次写回正在进行。开始写回后，应用可能再次修改同一 folio，所以两种状态能够同时出现。本轮 I/O 完成不自动清除之后产生的新脏数据。写回代码需要跟踪范围、状态与完成时序，详细契约见 iomap 设计。

延迟分配允许文件系统在后续写回时再决定物理块，有利于聚合布局，但也使空间不足等错误可能晚于最初的 write。内核使用写回错误记录机制向相关文件描述返回错误，应用不能忽略后续 fsync 的失败。即使 close 返回成功，也不能据此认定已持久化。

4. 写者为什么会被脏页限流

先算缓存积压速度，假设输入、输出速率持续不变：

每多持续一秒，就需要再容纳约 824 MiB 差额。缓存能吸收突发，却不能无限维持这个速度；脏页预算受到压力后，写者需要节流。短测的快速 write 可能只是消耗了这份预算。

ratio 与 bytes 是成对的替代配置方式，写入一方会使对应另一方清零；实际控制还涉及可写脏内存估算、各写回域份额及 cgroup 支持。当前值应读取 /proc/sys/vm/，不要把某组默认值写成所有机器的事实。后台工作也不是永久“一块盘对应一个独占 flusher 线程”。见 VM sysctl 文档。

5. 三种完成语义

fdatasync() 仍要同步恢复数据所必需的元数据，例如影响读取的文件大小；它不是完全不写元数据。创建或重命名后要保证名字持久存在，通常还需要同步相关父目录，具体故障协议应按文件系统能力设计。同步失败必须上报或进入明确的恢复流程。见 fsync(2)。

特意在一次写回进行期间再次写入，再完成旧请求。下面分别保留缓存、设备易失状态和稳定内容，用断电结果检查每个完成点究竟保住了哪个版本。

6. mmap 与直接 I/O 分别改变了什么

普通文件的 MAP_SHARED 映射通常接到同一页缓存，写入可形成脏页；MAP_PRIVATE 的写时复制形成私有修改，不把这些修改写回原文件。映射在关闭原 fd 后仍可存续；文件被并发截短后访问超出新末尾的页可能收到 SIGBUS。msync(MS_SYNC) 可同步共享映射范围，但不代替跨文件事务或目录同步。见 mmap(2)。

直接 I/O：绕开缓存路径，不扩大持久承诺

O_DIRECT 通常让文件数据传输避开缓冲 I/O 的缓存路径，但不等于 O_SYNC，也不自动承诺零复制、异步执行或断电持久性。缓冲区地址、长度和文件偏移的对齐要求依文件系统与设备而异；支持时可通过 statx() 的 STATX_DIOALIGN 查询，不能统一写死为 512 或 4096 字节。不满足约束时可能报错，部分路径也可能回退。

混用路径时，仍要协调缓存和缓冲区寿命

直接 I/O 与缓冲写入、共享映射混用时，内核仍可能需要写回或失效缓存来维持一致性，性能和并发推理都更复杂。异步请求完成前，用户缓冲区必须保持有效且满足访问约束；涉及 fork 与私有映射的缓冲区还要遵守额外限制。接口限制见 open(2) 的 O_DIRECT 说明。

7. 小实验：共享映射和私有副本

下面只创建一个临时文件，验证可见内容，不测吞吐量或断电恢复：

import mmap
import os
import tempfile

with tempfile.TemporaryFile() as file:
    file.write(b"A" * mmap.PAGESIZE)
    file.flush()                    # 先清 Python 用户态缓冲
    with mmap.mmap(file.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_WRITE) as shared:
        shared[0:1] = b"S"
        shared.flush()              # Linux 上同步共享映射
    os.fsync(file.fileno())
    assert os.pread(file.fileno(), 1, 0) == b"S"
    with mmap.mmap(file.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_COPY) as private:
        private[0:1] = b"P"
        assert private[0:1] == b"P"
        assert os.pread(file.fileno(), 1, 0) == b"S"
    assert os.pread(file.fileno(), 1, 0) == b"S"
    print("共享映射写入可见；私有修改未写回文件：通过")

file.flush()、映射 flush 和 fsync() 分别跨越不同缓冲/同步边界；一个 Python 方法名相同，并不意味着所做工作相同。

只读排查可查看 /proc/meminfo 的 Cached、Dirty、Writeback 和 /proc/vmstat 的相关计数。Cached 不应直接当作可随时无成本释放的普通磁盘文件缓存，tmpfs/shmem 等也影响统计。mincore() 报告的驻留状态是快照，不保证下一次读取延迟。drop_caches 是系统范围操作，会扰动其他进程的缓存状态，不应放进日常观测步骤当作无副作用的“刷新”。

进一步沿 mm/filemap.c 阅读缓存读取，沿 mm/readahead.c 阅读预读，沿 mm/page-writeback.c 与 fs/fs-writeback.c 阅读节流和写回。文件布局与日志机制接 文件系统实现。