页面缓存：内存和文件之间的那些事

上一篇文章中我们学习了内核怎么为一个用户进程管理虚拟内存，而没有提及文件和 I/O。这一篇文章我们将专门去讲这个重要的主题 —— 页面缓存。文件和内存之间的关系常常很不好去理解，而它们对系统性能的影响却是非常大的。

在面对文件时，有两个很重要的问题需要操作系统去解决。第一个是相对内存而言，慢的让人发狂的硬盘驱动器，尤其是磁盘寻道。第二个是需要将文件内容一次性地加载到物理内存中，以便程序间共享文件内容。如果你在 Windows 中使用进程浏览器去查看它的进程，你将会看到每个进程中加载了大约 ~15MB 的公共 DLL。我的 Windows 机器上现在大约运行着 100 个进程，因此，如果不共享的话，仅这些公共的 DLL 就要使用高达 ~1.5 GB 的物理内存。如果是那样的话，那就太糟糕了。同样的，几乎所有的 Linux 进程都需要 ld.so 和 libc，加上其它的公共库，它们占用的内存数量也不是一个小数目。

幸运的是，这两个问题都用一个办法解决了：页面缓存 —— 保存在内存中的页面大小的文件块。为了用图去说明页面缓存，我捏造出一个名为 render 的 Linux 程序，它打开了文件 scene.dat，并且一次读取 512 字节，并将文件内容存储到一个分配到堆中的块上。第一次读取的过程如下：

Reading and the page cache

render 请求 scene.dat 从位移 0 开始的 512 字节。
内核搜寻页面缓存中 scene.dat 的 4kb 块，以满足该请求。假设该数据没有缓存。
内核分配页面帧，初始化 I/O 请求，将 scend.dat 从位移 0 开始的 4kb 复制到分配的页面帧。
内核从页面缓存复制请求的 512 字节到用户缓冲区，系统调用 read() 结束。

读取完 12KB 的文件内容以后，render 程序的堆和相关的页面帧如下图所示：

Non-mapped file read

它看起来很简单，其实这一过程做了很多的事情。首先，虽然这个程序使用了普通的读取（read）调用，但是，已经有三个 4KB 的页面帧将文件 scene.dat 的一部分内容保存在了页面缓存中。虽然有时让人觉得很惊奇，但是，普通的文件 I/O 就是这样通过页面缓存来进行的。在 x86 架构的 Linux 中，内核将文件认为是一系列的 4KB 大小的块。如果你从文件中读取单个字节，包含这个字节的整个 4KB 块将被从磁盘中读入到页面缓存中。这是可以理解的，因为磁盘通常是持续吞吐的，并且程序一般也不会从磁盘区域仅仅读取几个字节。页面缓存知道文件中的每个 4KB 块的位置，在上图中用 #0、#1 等等来描述。Windows 使用 256KB 大小的视图 view ，类似于 Linux 的页面缓存中的页面 page 。

不幸的是，在一个普通的文件读取中，内核必须拷贝页面缓存中的内容到用户缓冲区中，它不仅花费 CPU 时间和影响 CPU 缓存，在复制数据时也浪费物理内存。如前面的图示，scene.dat 的内存被存储了两次，并且，程序中的每个实例都用另外的时间去存储内容。我们虽然解决了从磁盘中读取文件缓慢的问题，但是在其它的方面带来了更痛苦的问题。内存映射文件是解决这种痛苦的一个方法：

Mapped file read

当你使用文件映射时，内核直接在页面缓存上映射你的程序的虚拟页面。这样可以显著提升性能：Windows 系统编程报告指出，在相关的普通文件读取上运行时性能提升多达 30% ，在 Unix 环境中的高级编程的报告中，文件映射在 Linux 和 Solaris 也有类似的效果。这取决于你的应用程序类型的不同，通过使用文件映射，可以节约大量的物理内存。

对高性能的追求是永恒不变的目标，测量是很重要的事情，内存映射应该是程序员始终要使用的工具。这个 API 提供了非常好用的实现方式，它允许你在内存中按字节去访问一个文件，而不需要为了这种好处而牺牲代码可读性。在一个类 Unix 的系统中，可以使用 mmap 查看你的地址空间，在 Windows 中，可以使用 CreateFileMapping，或者在高级编程语言中还有更多的可用封装。当你映射一个文件内容时，它并不是一次性将全部内容都映射到内存中，而是通过页面故障来按需映射的。在获取需要的文件内容的页面帧后，页面故障句柄映射你的虚拟页面到页面缓存上。如果一开始文件内容没有缓存，这还将涉及到磁盘 I/O。

现在出现一个突发的状况，假设我们的 render 程序的最后一个实例退出了。在页面缓存中保存着 scene.dat 内容的页面要立刻释放掉吗？人们通常会如此考虑，但是，那样做并不是个好主意。你应该想到，我们经常在一个程序中创建一个文件，退出程序，然后，在第二个程序去使用这个文件。页面缓存正好可以处理这种情况。如果考虑更多的情况，内核为什么要清除页面缓存的内容？请记住，磁盘读取的速度要慢于内存 5 个数量级，因此，命中一个页面缓存是一件有非常大收益的事情。因此，只要有足够大的物理内存，缓存就应该保持全满。并且，这一原则适用于所有的进程。如果你现在运行 render 一周后， scene.dat 的内容还在缓存中，那么应该恭喜你！这就是什么内核缓存越来越大，直至达到最大限制的原因。它并不是因为操作系统设计的太“垃圾”而浪费你的内存，其实这是一个非常好的行为，因为，释放物理内存才是一种“浪费”。（LCTT 译注：释放物理内存会导致页面缓存被清除，下次运行程序需要的相关数据，需要再次从磁盘上进行读取，会“浪费” CPU 和 I/O 资源）最好的做法是尽可能多的使用缓存。

由于页面缓存架构的原因，当程序调用 write() 时，字节只是被简单地拷贝到页面缓存中，并将这个页面标记为“脏”页面。磁盘 I/O 通常并不会立即发生，因此，你的程序并不会被阻塞在等待磁盘写入上。副作用是，如果这时候发生了电脑死机，你的写入将不会完成，因此，对于至关重要的文件，像数据库事务日志，要求必须进行 fsync()（仍然还需要去担心磁盘控制器的缓存失败问题），另一方面，读取将被你的程序阻塞，直到数据可用为止。内核采取预加载的方式来缓解这个矛盾，它一般提前预读取几个页面并将它加载到页面缓存中，以备你后来的读取。在你计划进行一个顺序或者随机读取时（请查看 madvise()、readahead()、Windows 缓存提示），你可以通过提示 hint 帮助内核去调整这个预加载行为。Linux 会对内存映射的文件进行预读取，但是我不确定 Windows 的行为。当然，在 Linux 中它可能会使用 O_DIRECT 跳过预读取，或者，在 Windows 中使用 NO_BUFFERING 去跳过预读，一些数据库软件就经常这么做。

一个文件映射可以是私有的，也可以是共享的。当然，这只是针对内存中内容的更新而言：在一个私有的内存映射上，更新并不会提交到磁盘或者被其它进程可见，然而，共享的内存映射，则正好相反，它的任何更新都会提交到磁盘上，并且对其它的进程可见。内核使用写时复制 copy on write （CoW）机制，这是通过页面表条目 page table entry （PTE）来实现这种私有的映射。在下面的例子中，render 和另一个被称为 render3d 的程序都私有映射到 scene.dat 上。然后 render 去写入映射的文件的虚拟内存区域：

The Copy-On-Write mechanism

两个程序私有地映射 scene.dat，内核误导它们并将它们映射到页面缓存，但是使该页面表条目只读。
render 试图写入到映射 scene.dat 的虚拟页面，处理器发生页面故障。
内核分配页面帧，复制 scene.dat 的第二块内容到其中，并映射故障的页面到新的页面帧。
继续执行。程序就当做什么都没发生。

上面展示的只读页面表条目并不意味着映射是只读的，它只是内核的一个用于共享物理内存的技巧，直到尽可能的最后一刻之前。你可以认为“私有”一词用的有点不太恰当，你只需要记住，这个“私有”仅用于更新的情况。这种设计的重要性在于，要想看到被映射的文件的变化，其它程序只能读取它的虚拟页面。一旦“写时复制”发生，从其它地方是看不到这种变化的。但是，内核并不能保证这种行为，因为它是在 x86 中实现的，从 API 的角度来看，这是有意义的。相比之下，一个共享的映射只是将它简单地映射到页面缓存上。更新会被所有的进程看到并被写入到磁盘上。最终，如果上面的映射是只读的，页面故障将触发一个内存段失败而不是写到一个副本。

动态加载库是通过文件映射融入到你的程序的地址空间中的。这没有什么可奇怪的，它通过普通的 API 为你提供与私有文件映射相同的效果。下面的示例展示了映射文件的 render 程序的两个实例运行的地址空间的一部分，以及物理内存，尝试将我们看到的许多概念综合到一起。

Mapping virtual memory to physical memory