Linux Cache管理radix_tree整理

来源:互联网 发布:美工刀片怎么掰断 编辑:程序博客网 时间:2024/06/06 08:48

文件 Cache 的地位和作用

文件 Cache 是文件数据在内存中的副本,因此文件 Cache 管理与内存管理系统和文件系统都相关:一方面文件 Cache 作为物理内存的一部分,需要参与物理内存的分配回收过程,另一方面文件 Cache 中的数据来源于存储设备上的文件,需要通过文件系统与存储设备进行读写交互。从操作系统的角度考虑,文件 Cache 可以看做是内存管理系统与文件系统之间的联系纽带。因此,文件 Cache 管理是操作系统的一个重要组成部分,它的性能直接影响着文件系统和内存管理系统的性能。
图1描述了 Linux 操作系统中文件 Cache 管理与内存管理以及文件系统的关系示意图。从图中可以看到,在 Linux 中,具体文件系统,如 ext2/ext3、jfs、ntfs 等,负责在文件 Cache和存储设备之间交换数据,位于具体文件系统之上的虚拟文件系统VFS负责在应用程序和文件 Cache 之间通过 read/write 等接口交换数据,而内存管理系统负责文件 Cache 的分配和回收,同时虚拟内存管理系统(VMM)则允许应用程序和文件 Cache 之间通过 memory map的方式交换数据。可见,在 Linux 系统中,文件 Cache 是内存管理系统、文件系统以及应用程序之间的一个联系枢纽。这里写图片描述

文件 Cache 相关数据结构

在 Linux 的实现中,文件 Cache 分为两个层面,一是 Page Cache,另一个 Buffer Cache,每一个 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。内存管理系统和 VFS 只与 Page Cache 交互,内存管理系统负责维护每项 Page Cache 的分配和回收,同时在使用 memory map 方式访问时负责建立映射;VFS 负责 Page Cache 与用户空间的数据交换。而具体文件系统则一般只与 Buffer Cache 交互,它们负责在外围存储设备和 Buffer Cache 之间交换数据。Page Cache、Buffer Cache、文件以及磁盘之间的关系如图 2 所示,Page 结构和 buffer_head 数据结构的关系如图 3 所示。在上述两个图中,假定了 Page 的大小是 4K,磁盘块的大小是 1K。本文所讲述的,主要是指对 Page Cache 的管理。
在 Linux 内核中,文件的每个数据块最多只能对应一个 Page Cache 项,它通过两个数据结构来管理这些 Cache 项,一个是 radix tree,另一个是双向链表。Radix tree 是一种搜索树,Linux 内核利用这个数据结构来通过文件内偏移快速定位 Cache 项,图 4 是 radix tree的一个示意图,该 radix tree 的分叉为4(22),树高为4,用来快速定位8位文件内偏移。Linux(2.6.7) 内核中的分叉为 64(26),树高为 6(64位系统)或者 11(32位系统),用来快速定位 32 位或者 64 位偏移,radix tree 中的每一个叶子节点指向文件内相应偏移所对应的Cache项。
另一个数据结构是双向链表,Linux内核为每一片物理内存区域(zone)维护active_list和inactive_list两个双向链表,这两个list主要用来实现物理内存的回收。这两个链表上除了文件Cache之外,还包括其它匿名(Anonymous)内存,如进程堆栈等。这里写图片描述这里写图片描述这里写图片描述

mmap

这里写图片描述

内核中radix_tree结构

这里写图片描述

address_space,inode,基树以及页描述符之间的关系
1、每个adrres_space对象对应一颗搜索树。他们之间的联系是通过address_space对象中的page_tree字段指向该address_space对象对应的基树。
2、一个inode节点对应一个address_space对象,其中inode节点对象的i_mapping和i_data字段指向相应的 address_space对象,而address_space对象的host字段指向对应的inode节点对象。
3、)一般情况下一个inode节点对象对应的文件或者是块设备都会包含多个页面的内容,所以一个inode对象对应多个page描述符。同一个文件拥有的所有page描述符都可以在该文件对应的基树中找到。

它们之间的关系如下图:这里写图片描述
page cache是VFS的一部分,buffer cache是块设备驱动的一部分,或者说page cache是面向用户IO的cache,buffer cache是面向块设备IO的cache,page cache按照文件的逻辑页进行缓冲,buffer cache按照文件的物理块进行缓冲。

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