page cache 与free
我们经常用free查看服务器的内存使用情况，而free中的输出却有些让人困惑，如下：
先看看各个数字的意义以及如何计算得到：
free命令输出的第二行(Mem)：这行分别显示了物理内存的总量(total)、已使用的 (used)、空闲的(free)、共享的(shared)、buffer(buffer大小)、 cache(cache的大小)的内存。我们知道Total、free、buffers、cached这几个字段是从/proc/meminfo中获取的，而used = total – free。Share列已经过时，忽略(见参考)。
free命令输出的第三行(-/+ buffers/cache)：
它显示的第一个值(used)：210236，这个值表示系统本身使用的内存总量，即除去buffer/cache，等于Mem行used列 - Mem行buffers列 - Mem行cached列。
它显示的第二个值(free)：814956，这个值表示系统当前可用内存，它等于Mem行total列— buffers/cache used，也等于Mem行free列 + Mem行buffers列 + Mem行cached列。
free命令输出的第四行(Swap) 这行显示交换内存的总量、已使用量、 空闲量。
我们都知道free是从/proc/meminfo中读取相关的数据的。
下面是/proc/meminfo的实现：
static int meminfo_read_proc(char *page, char **start, off_t off, int count, int *eof, void *data) { struct sysinfo i; int len; unsigned long committed; unsigned long allowed; struct vmalloc_info vmi; long cached; /* * display in kilobytes. */ #define K(x) ((x) << (PAGE_SHIFT - 10)) si_meminfo(&i); si_swapinfo(&i); committed = atomic_read(&vm_committed_space); allowed = ((totalram_pages - hugetlb_total_pages()) * sysctl_overcommit_ratio / 100) + total_swap_pages; cached = global_page_state(NR_FILE_PAGES) - total_swapcache_pages - i.bufferram; if (cached < 0) cached = 0; get_vmalloc_info(&vmi); /* * Tagged format, for easy grepping and expansion. */ len = sprintf(page, "MemTotal: %8lu kB\n" "MemFree: %8lu kB\n" "Buffers: %8lu kB\n" "Cached: %8lu kB\n" "SwapCached: %8lu kB\n" ...... K(i.totalram), K(i.freeram), K(i.bufferram), K(cached), K(total_swapcache_pages), ...... #undef K } struct sysinfo { long uptime; /* Seconds since boot */ unsigned long loads[3]; /* 1, 5, and 15 minute load averages */ unsigned long totalram; /* Total usable main memory size */ unsigned long freeram; /* Available memory size */ unsigned long sharedram; /* Amount of shared memory */ unsigned long bufferram; /* Memory used by buffers */ unsigned long totalswap; /* Total swap space size */ unsigned long freeswap; /* swap space still available */ unsigned short procs; /* Number of current processes */ unsigned short pad; /* explicit padding for m68k */ unsigned long totalhigh; /* Total high memory size */ unsigned long freehigh; /* Available high memory size */ unsigned int mem_unit; /* Memory unit size in bytes */ char _f[20-2*sizeof(long)-sizeof(int)]; /* Padding: libc5 uses this.. */ };
图中，Buffers对应sysinfo.bufferram，内核中以页框为单位，通过宏K转化成以KB为单位输出。
void si_meminfo(struct sysinfo *val) { val->totalram = totalram_pages;//total ram pages val->sharedram = 0; val->freeram = global_page_state(NR_FREE_PAGES);//free mem pages val->bufferram = nr_blockdev_pages();//block devices used pages val->totalhigh = totalhigh_pages; val->freehigh = nr_free_highpages(); val->mem_unit = PAGE_SIZE; } long nr_blockdev_pages(void) { struct block_device *bdev; long ret = 0; spin_lock(&bdev_lock); list_for_each_entry(bdev, &all_bdevs, bd_list) { ret += bdev->bd_inode->i_mapping->nrpages; } spin_unlock(&bdev_lock); return ret; }
nr_blockdev_pages计算块设备使用的页框数，遍历所有块设备，将使用的页框数相加。而不包含普通文件使用的页框数。
cached = global_page_state(NR_FILE_PAGES) - total_swapcache_pages - i.bufferram;
static inline unsigned long global_page_state(enum zone_stat_item item) { long x = atomic_long_read(&vm_stat[item]); #ifdef CONFIG_SMP if (x < 0) x = 0; #endif return x; }
Cache的大小为内核总的page cache减去swap cache和块设备占用的页框数量，实际上cache即为普通文件的占用的page cache。实际上，在函数add_to_page_cache和__add_to_swap_cache 中，都会通过调用pagecache_acct实现对内核变量nr_pagecache进行累加。前者对应page cache，内核读块设备和普通文件使用；后者对应swap cache，内核读交换分区使用。
Page cache(页面缓存)
在linux系统中，为了加快文件的读写，内核中提供了page cache作为缓存，称为页面缓存(page cache)。为了加快对块设备的读写，内核中还提供了buffer cache作为缓存。在2.4内核中，这两者是分开的。这样就造成了双缓冲，因为文件读写最后还是转化为对块设备的读写。在2.6中，buffer cache合并到page cache中，对应的页面叫作buffer page。当进行文件读写时，如果文件在磁盘上的存储块是连续的，那么文件在page cache中对应的页是普通的page，如果文件在磁盘上的数据块是不连续的，或者是设备文件，那么文件在page cache中对应的页是buffer page。buffer page与普通的page相比，每个页多了几个buffer_head结构体(个数视块的大小而定)。此外，如果对单独的块（如超级块）直接进行读写，对应的page cache中的页也是buffer page。这两种页面虽然形式略有不同，但是最终他们的数据都会被封装成bio结构体，提交到通用块设备驱动层，统一进行I/O调度。
/** * 块缓冲头描述符 */ struct buffer_head { /* 块缓冲状态位图，如BH_Uptodate */ unsigned long b_state; /* buffer state bitmap (see above) */ /* 指向下一个块缓冲，二者属于同一个页缓存 */ struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page's buffers */ /* 如果缓冲区属于页缓存，则指向缓存页。如果独立于页缓存，则为NULL */ struct page *b_page; /* the page this bh is mapped to */ /* 对应的块号 */ sector_t b_blocknr; /* start block number */ /* 块长 */ size_t b_size; /* size of mapping */ /* 内存中的数据指针 */ char *b_data; /* pointer to data within the page */ /* 后备设备 */ struct block_device *b_bdev; /* 当IO操作完成时，由内核调用的回调函数 */ bh_end_io_t *b_end_io; /* I/O completion */ /* 预留指针，用于b_end_io。一般用于日志文件系统。 */ void *b_private; /* reserved for b_end_io */ struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */ /* 所属地址空间 */ struct address_space *b_assoc_map; /* mapping this buffer is associated with */ /* 访问计数器 */ atomic_t b_count; /* users using this buffer_head */ };
在kernel2.6之后，buffer_head没有别的作用，主要用来保持页框与块设备中数据块的映射关系。
Buffer page(缓冲页)
如果内核需要单独访问一个块，就会涉及到buffer page，并会检查对应的buffer head。
内核创建buffer page的两种常见情况：
(1)当读或者写一个文件页的数据块不相邻时。发生这种情况是因为文件系统为文件分配了非连续的块，或者文件有洞。具体请参见block_read_full_page(fs/buffer.c)函数:
/** * 从块设备中读取整页 */ int block_read_full_page(struct page *page, get_block_t *get_block) { struct inode *inode = page->mapping->host; sector_t iblock, lblock; struct buffer_head *bh, *head, *arr[MAX_BUF_PER_PAGE]; unsigned int blocksize; int nr, i; int fully_mapped = 1; BUG_ON(!PageLocked(page)); blocksize = 1 << inode->i_blkbits; if (!page_has_buffers(page))/* 如果还没有建立缓冲区，则建立几个空缓冲区 */ create_empty_buffers(page, blocksize, 0); /* 取页面关联的第一个缓冲区 */ head = page_buffers(page); /* 计算要读取的块号 */ iblock = (sector_t)page->index << (PAGE_CACHE_SHIFT - inode->i_blkbits); lblock = (i_size_read(inode)+blocksize-1) >> inode->i_blkbits; bh = head; nr = 0; i = 0; /* 遍历所有缓冲区 */ do { if (buffer_uptodate(bh))/* 缓冲区已经与设备匹配了，不需要处理 */ continue; if (!buffer_mapped(bh)) {/* 没有映射 */ int err = 0; fully_mapped = 0; if (iblock < lblock) {/* 在设备上还不存在块 */ WARN_ON(bh->b_size != blocksize); /* 获得逻辑块在磁盘上的位置 */ err = get_block(inode, iblock, bh, 0); if (err) SetPageError(page); } if (!buffer_mapped(bh)) {/* 对应的块是稀疏块，写入0即可 */ zero_user_page(page, i * blocksize, blocksize, KM_USER0); if (!err) set_buffer_uptodate(bh); continue; } /* * get_block() might have updated the buffer * synchronously */ if (buffer_uptodate(bh))/* get_block将缓冲区更新了，继续处理下一块 */ continue; } /* 缓冲区已经映射，但内容不是最新的，将它放到临时数组中 */ arr[nr++] = bh; } while (i++, iblock++, (bh = bh->b_this_page) != head); if (fully_mapped) SetPageMappedToDisk(page); if (!nr) {/* 所有缓冲区都是最新的 */ /* * All buffers are uptodate - we can set the page uptodate * as well. But not if get_block() returned an error. */ if (!PageError(page))/* 设置页的uptodate标志，然后退出 */ SetPageUptodate(page); unlock_page(page); return 0; } /* Stage two: lock the buffers */ for (i = 0; i < nr; i++) {/* 锁定缓冲区 */ bh = arr[i]; lock_buffer(bh); mark_buffer_async_read(bh); } /* * Stage 3: start the IO. Check for uptodateness * inside the buffer lock in case another process reading * the underlying blockdev brought it uptodate (the sct fix). */ for (i = 0; i < nr; i++) {/* 遍历页内所有需要更新的缓冲区 */ bh = arr[i]; if (buffer_uptodate(bh))/* 在没有获得锁的期间，如果有其他进程读取的内容 */ end_buffer_async_read(bh, 1); else submit_bh(READ, bh);/* 提交IO请求 */ } return 0; }
这里使用buffer head主要是通过buffer head建立页框与数据块的映射关系。因为页面中的数据不是连接的，而页框描述符struct page的字段又不足以表达这种信息。
该函数会调用create_empty_buffers来创建一组全新的缓冲区，并与page关联起来
/** * 创建一组全新的缓冲区，以便与页关联 */ void create_empty_buffers(struct page *page, unsigned long blocksize, unsigned long b_state) { struct buffer_head *bh, *head, *tail; /* 创建所需要数目的缓冲头，并将其形成一个链表，返回第一个缓冲头 */ head = alloc_page_buffers(page, blocksize, 1); /* 设置所有缓冲头的状态，并将缓冲头形成一个环形链表 */ bh = head; do { bh->b_state |= b_state; tail = bh; bh = bh->b_this_page; } while (bh); tail->b_this_page = head; /* 根据页面状态设置块缓冲区的状态 */ spin_lock(&page->mapping->private_lock); if (PageUptodate(page) || PageDirty(page)) { bh = head; do {/* 更新每一个缓冲头的状态 */ if (PageDirty(page)) set_buffer_dirty(bh); if (PageUptodate(page)) set_buffer_uptodate(bh); bh = bh->b_this_page; } while (bh != head); } /* 将缓冲区关联到页面 */ attach_page_buffers(page, head); spin_unlock(&page->mapping->private_lock); }
create_empty_buffers调用alloc_page_buffers来创建一组buffer head链表，但还不是循环链表：
struct buffer_head *alloc_page_buffers(struct page *page, unsigned long size, int retry) { struct buffer_head *bh, *head; long offset; try_again: head = NULL; offset = PAGE_SIZE; while ((offset -= size) >= 0) { bh = alloc_buffer_head(GFP_NOFS); if (!bh) goto no_grow; bh->b_bdev = NULL; bh->b_this_page = head; bh->b_blocknr = -1; head = bh; bh->b_state = 0; atomic_set(&bh->b_count, 0); bh->b_private = NULL; bh->b_size = size; /* Link the buffer to its page */ set_bh_page(bh, page, offset); init_buffer(bh, NULL, NULL); } return head; ...... }
alloc_page_buffers调用set_bh_page来设置b_data.
void set_bh_page(struct buffer_head *bh, struct page *page, unsigned long offset) { bh->b_page = page; BUG_ON(offset >= PAGE_SIZE); if (PageHighMem(page)) /* * This catches illegal uses and preserves the offset: */ bh->b_data = (char *)(0 + offset); else bh->b_data = page_address(page) + offset; }
(2)访问一个单独的磁盘块(比如，读超级块或者索引节点块时)。参见ext2_fill_super(fs/ext2/super.c)，该函数在安装ext2文件系统时调用。
Buffer page和buffer head的关系：
由代码可知，每个buffer_head对应磁盘上的一个block. 一个page cache有N（N = PAGE_SIZE/BLOCK_SIZE）个buffer_head来描述。
