linux文件cache的框框架架以及相关的数据结构
文件cache的框框架架:
就这个图充分说明了文件cache在内存管理和文件系统之间起到的桥梁作用。实际的文件系统如ext2/ext2管理着文件cache和存储设备之间的数据交换。内存管理系统则负责着文件cache的分配和回收。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,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。
文件cache相关的数据结构:
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。