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深入了解 Linux PageCache 页缓存：优化文件系统的性能、效率（一）

2023-07-24 2207
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简介： 深入了解 Linux PageCache 页缓存：优化文件系统的性能、效率

前言

app 应用程序和硬件之间隔着一个内核，内核通过 pagecache 来维护数据，若 pagecache 数据被标识为 dirty，就会有一个 flush 刷新的过程，刷写到磁盘中去，什么时候刷新决定着 IO 的模型

多个 app 应用程序可能共享一份 pagecache，只是它们对应的指针和偏移量 seek 不同，也就是说它们有各自不同的 fd 文件描述符；若应用程序同时对一个 pagecache 同一个位置进行了修改，内核也会像 Java 一样有一个加锁的过程，也就是锁总线、屏障这些工作来保障安全性.

脏页

Linux 以页作为高速缓存的单位，当进程修改了高速缓存中的数据时，该页就会被内核标记为脏页，内核会在合适的时间把脏页的数据刷写到磁盘中去，以保持高速缓存中的数据与磁盘中的数据是一致的.

虚拟文件系统

在 Linux 中将一切抽象为文件，维护着一个虚拟的文件系统

引用【Linux 内核设计与实现】 书籍：虚拟文件系统（有时也称作为虚拟文件交换，更常见的是简称 VFS）作为内核子系统，为用户空间程序提供了文件和文件系统的接口。系统中所有文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依赖 VFS 系统协同工作。通过虚拟文件系统，程序可以利用标准的 Unix 系统调用对不同的文件系统，甚至对不同介质上的文件系统进行读写操作，如下图：

文件类型

目录树结构趋向于稳定，有一个 映射 过程，底下有不同的文件类型，通过 ll 命令可查看列表开头部分

  1. -：普通文件（可执行、图片、文本、REG）
  2. d：目录
  3. l：连接 -> 软链接、硬链接

stat text.txt：查看文件的元数据信息

建立软链接：ln -sf /opt/vnjohn/softlink.txt /usr/local/text.txt，text.txt 文本内容来自于 softlink.txt

硬链接 inode 号是一样的，指向的是同一块物理位置，同时会进行计数，当某一个文件删除就会减 1

软链接 inode 号是不一样的，但是和硬链接一样修改后的内容会同步更新

  1. b：快设备
  2. c：字符设备 CHR
  3. s：socket
  4. p：pipeline 管道

文件描述符

fd：文件描述符代表打开的文件，有 inode 号、seek 偏移指针的概念

任何程序都有：0-标准输入、1-标准输出、2-报错输出，有输入 <、输出 > 两种 IO 存在

lsof -op $$：查看当前进程下所有的文件描述符信息，o 代表 offset、p 代表 pid

整理一下文件符下常用的命令：

  1. ll /proc/$$/fd： 查看当前进程下所有的文件描述符信息，$$ 可以替换为某个进程号
  2. exec 8< vnjohn.txt：创建一个文件描述符 8 标准输入来自于 vnjohn.txt 文件

创建一个 vnjohn.txt 文本文本，并输入一些内容进去

vim vnjohn.txt

Hello World!

Study every day,not stopping!

  1. read x 0<& 8：让 x 变量的标准输入来自于文件描述符 8，读取后再查看 lsof -op $$，会发现文件描述符 8 的 offset 不再是 0t0，read 命令对换行符特别敏感，遇到换行符会马上停止，会用一个偏移量来补换行符

执行：echo $x 命令，输出的内容是 vnjohn.txt 文本文件第一行的内容：Hello World!

如下图，ot13 = 第一行的内容长度 12 + 换行符 = 13

  1. echo $$：输出当前进程号
  2. /bin/bash：进入到子进程

父子进程之间数据是相互隔离的，即在父进程创建的变量到子进程中读取不到；除非变量是具备导出功能的，如：export 变量名

  1. head -8 | tail -1：显示的是第八行的内容
  2. ls /vnjohn 1> ls.txt 2>&1：/vnjohn 是一个不存在的目录，会报错（有报错输出）标准输出到 ls.txt 文件中，报错输出到 1 号文件描述符中

ls.txt 文件内容： ls: cannot access /vnjohn: No such file or directory

管道

| 可以衔接输入和输出，左边是一个进程，右边又是另外一个进程；$$ 优先级高于管道，使用 $BASHPID 就可以

如：{ echo $BASHPID; read x; } | { cat;echo $BASHPID; read y; }

日常开发中，查看 Redis 进程，ps -ef | grep redis 也是应用到了管道的概念

Page Cache

Page Cache 由内核进行维护，算是中间层，以 4 KB 为单位进行存储，向应用程序分配数据时并不是全量去分配，只是分配它们所需要用到的那些 Page Cache，多个 app 应用程序可能共享一份 pagecache，只是它们对应的指针和偏移量 seek 不同

进程调度的是那些活跃的线程，当应用程序 app 经过 CPU 一、二、三级缓存到内核读取数据时（保护现场：用户态切换到内核态）发现 pagecache 不存在，触发缺页，此时需要 DMA(Direct Memory Access) 协处理器到磁盘中拿数据，app 此时会是一个挂起状态，当从硬盘中拿到数据以后，DMA 发出中断标识给到 CPU，这时 app 就会变为一个可以运行的状态，等待被调度执行

介绍

App 应用程序都有自己对应的缓冲区，当要写入或读取数据时，比如：read(fd8)，会触发系统调用：int 0x80Hex 中断描述符，对应软中断标识符表的条目，负责 用户态->内核态切换，到达内核中，不管你读取多大的数据：1 byte 或多少 byte，内核都是以 4KB 为单位去读取的

  1. 首先经过 CPU 一二三级缓存，读取数据，取不到数据就可能造成了缺页
  2. 这个时候就要往硬盘上走，但又不可能一直等待它执行完（CPU->硬盘执行速度是很慢的），所以此时需要 DMA 协调处理器来处理
  3. DMA 拿到数据了，给一个中断标识，告诉 kernel ，我这边准备好了，你可以不用再挂着了，等待被调度执行即可

前言

app 应用程序和硬件之间隔着一个内核，内核通过 pagecache 来维护数据，若 pagecache 数据被标识为 dirty，就会有一个 flush 刷新的过程，刷写到磁盘中去，什么时候刷新决定着 IO 的模型

多个 app 应用程序可能共享一份 pagecache，只是它们对应的指针和偏移量 seek 不同，也就是说它们有各自不同的 fd 文件描述符；若应用程序同时对一个 pagecache 同一个位置进行了修改，内核也会像 Java 一样有一个加锁的过程，也就是锁总线、屏障这些工作来保障安全性.

脏页

Linux 以页作为高速缓存的单位，当进程修改了高速缓存中的数据时，该页就会被内核标记为脏页，内核会在合适的时间把脏页的数据刷写到磁盘中去，以保持高速缓存中的数据与磁盘中的数据是一致的.

虚拟文件系统

在 Linux 中将一切抽象为文件，维护着一个虚拟的文件系统

引用【Linux 内核设计与实现】 书籍：虚拟文件系统（有时也称作为虚拟文件交换，更常见的是简称 VFS）作为内核子系统，为用户空间程序提供了文件和文件系统的接口。系统中所有文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依赖 VFS 系统协同工作。通过虚拟文件系统，程序可以利用标准的 Unix 系统调用对不同的文件系统，甚至对不同介质上的文件系统进行读写操作，如下图：

文件类型

目录树结构趋向于稳定，有一个 映射 过程，底下有不同的文件类型，通过 ll 命令可查看列表开头部分

  1. -：普通文件（可执行、图片、文本、REG）
  2. d：目录
  3. l：连接 -> 软链接、硬链接

stat text.txt：查看文件的元数据信息

建立软链接：ln -sf /opt/vnjohn/softlink.txt /usr/local/text.txt，text.txt 文本内容来自于 softlink.txt

硬链接 inode 号是一样的，指向的是同一块物理位置，同时会进行计数，当某一个文件删除就会减 1

软链接 inode 号是不一样的，但是和硬链接一样修改后的内容会同步更新

  1. b：快设备
  2. c：字符设备 CHR
  3. s：socket
  4. p：pipeline 管道

文件描述符

fd：文件描述符代表打开的文件，有 inode 号、seek 偏移指针的概念

任何程序都有：0-标准输入、1-标准输出、2-报错输出，有输入 <、输出 > 两种 IO 存在

lsof -op $$：查看当前进程下所有的文件描述符信息，o 代表 offset、p 代表 pid

整理一下文件符下常用的命令：

  1. ll /proc/$$/fd： 查看当前进程下所有的文件描述符信息，$$ 可以替换为某个进程号
  2. exec 8< vnjohn.txt：创建一个文件描述符 8 标准输入来自于 vnjohn.txt 文件

创建一个 vnjohn.txt 文本文本，并输入一些内容进去

vim vnjohn.txt

Hello World!

Study every day,not stopping!

  1. read x 0<& 8：让 x 变量的标准输入来自于文件描述符 8，读取后再查看 lsof -op $$，会发现文件描述符 8 的 offset 不再是 0t0，read 命令对换行符特别敏感，遇到换行符会马上停止，会用一个偏移量来补换行符

执行：echo $x 命令，输出的内容是 vnjohn.txt 文本文件第一行的内容：Hello World!

如下图，ot13 = 第一行的内容长度 12 + 换行符 = 13

  1. echo $$：输出当前进程号
  2. /bin/bash：进入到子进程

父子进程之间数据是相互隔离的，即在父进程创建的变量到子进程中读取不到；除非变量是具备导出功能的，如：export 变量名

  1. head -8 | tail -1：显示的是第八行的内容
  2. ls /vnjohn 1> ls.txt 2>&1：/vnjohn 是一个不存在的目录，会报错（有报错输出）标准输出到 ls.txt 文件中，报错输出到 1 号文件描述符中

ls.txt 文件内容： ls: cannot access /vnjohn: No such file or directory

管道

| 可以衔接输入和输出，左边是一个进程，右边又是另外一个进程；$$ 优先级高于管道，使用 $BASHPID 就可以

如：{ echo $BASHPID; read x; } | { cat;echo $BASHPID; read y; }

日常开发中，查看 Redis 进程，ps -ef | grep redis 也是应用到了管道的概念

Page Cache

Page Cache 由内核进行维护，算是中间层，以 4 KB 为单位进行存储，向应用程序分配数据时并不是全量去分配，只是分配它们所需要用到的那些 Page Cache，多个 app 应用程序可能共享一份 pagecache，只是它们对应的指针和偏移量 seek 不同

进程调度的是那些活跃的线程，当应用程序 app 经过 CPU 一、二、三级缓存到内核读取数据时（保护现场：用户态切换到内核态）发现 pagecache 不存在，触发缺页，此时需要 DMA(Direct Memory Access) 协处理器到磁盘中拿数据，app 此时会是一个挂起状态，当从硬盘中拿到数据以后，DMA 发出中断标识给到 CPU，这时 app 就会变为一个可以运行的状态，等待被调度执行

介绍

App 应用程序都有自己对应的缓冲区，当要写入或读取数据时，比如：read(fd8)，会触发系统调用：int 0x80Hex 中断描述符，对应软中断标识符表的条目，负责 用户态->内核态切换，到达内核中，不管你读取多大的数据：1 byte 或多少 byte，内核都是以 4KB 为单位去读取的

  1. 首先经过 CPU 一二三级缓存，读取数据，取不到数据就可能造成了缺页
  2. 这个时候就要往硬盘上走，但又不可能一直等待它执行完（CPU->硬盘执行速度是很慢的），所以此时需要 DMA 协调处理器来处理
  3. DMA 拿到数据了，给一个中断标识，告诉 kernel ，我这边准备好了，你可以不用再挂着了，等待被调度执行即可

pcstat

借助于 pcstat 来观察 pagecache 元数据信息，此时先安装好 pcstat

https://github.com/tobert/pcstat/releases/download/v0.0.1/pcstat-0.0.1-Linux-arm64.tar.gz

  1. 解压安装包：tar -zxvf pcstat-0.0.1-Linux-arm64.tar.gz
  2. 拷贝可执行文件：cp pcstat /bin/
  3. 运行 pcstat /bin/bash，查看 /bin/bash 所有 pagecache 使用情况

页缓存参数配置

查看内核所有的配置：sysctl -a

筛选与脏页有关的内核配置：sysctl -a | grep dirty

编辑修改内核配置：vi /etc/sysctl.conf

# 后台运行：内存向磁盘写数据触发的阈值
# 脏页刷写到磁盘，不是脏页的进行淘汰，单独起一个线程去处理这些数据
vm.dirty_background_ratio = 0
vm.dirty_background_bytes = 1048576
# 前台运行：当分配 PageCache 时大小达到比例以后，阻塞住，进行 LRU 淘汰
# 脏页刷写到磁盘，不是脏页的进行淘汰
vm.dirty_ratio = 0
vm.dirty_bytes = 1048576
# 将脏页写回磁盘花费时间 5s  
vm.dirty_writeback_centisecs = 5000
# 脏页的生命周期可以存入多久 30s
vm.dirty_expire_centisecs = 30000

sysctl -p：保存并立即执行所修改的内核配置

IO 测试代码 prepare

OSFile.java 源码，待编译后运行的

public class OSFileIO {
    static byte[] data = "123456789\n".getBytes();
    static String path = "/opt/test-file-io/out.txt";
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        switch (args[0]) {
            case "0":
                testBasicFileIO();
                break;
            case "1":
                testBufferedFileIO();
                break;
            case "2":
                testRandomAccessFileWrite();
            default:
        }
    }
    /**
     * 最基本的 file 写
     * @throws Exception
     */
    public static void testBasicFileIO() throws Exception {
        File file = new File(path);
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);
        while (true) {
            Thread.sleep(10);
            out.write(data);
        }
    }
    /**
     * 测试 buffer file IO
     * @throws Exception
     */
    public static void testBufferedFileIO() throws Exception {
        File file = new File(path);
        BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
        while (true) {
            Thread.sleep(10);
            out.write(data);
        }
    }
    /**
     * 测试 nio file IO
     * @throws Exception
     */
    public static void testRandomAccessFileWrite() throws Exception {
        RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(path, "rw");
        raf.write("hello world\n".getBytes());
        raf.write("study every day\n".getBytes());
        System.out.println("write------------");
        System.in.read();
        raf.seek(5);
        raf.write("vnjohn".getBytes());
        System.out.println("seek---------");
        System.in.read();
        FileChannel rafchannel = raf.getChannel();
        // mmap  堆外和文件映射的 byte not object
        MappedByteBuffer map = rafchannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 4096);
        // 不是系统调用，但是数据会到达内核的 pagecache
        map.put("@@".getBytes());
        // 曾经我们是需要 out.write() 这样的系统调用，才能让程序的 data 进入内核的 pagecache
        // 曾经必须有用户态内核态切换
        // mmap 内存映射，依然是内核的 pagecache 体系所约束的！！！换言之，还是会丢数据
        System.out.println("map--put--------");
        System.in.read();
        // map.force(); //  flush
        raf.seek(0);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
        // ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        // buffer.put()
        int read = rafchannel.read(buffer);
        System.out.println(buffer);
        buffer.flip();
        System.out.println(buffer);
        for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            Thread.sleep(200);
            System.out.print(((char) buffer.get(i)));
        }
    }
}

创建一个脚本文件【/opt/test-file-io/my.sh、chmod +x my.sh】，内容如下：

rm -rf *out*
/usr/local/jdk8/bin/javac OSFileIO.java
strace -ff -o /opt/test-file-io/out /usr/local/jdk8/bin/java OSFileIO $1

javac 将 OSFileIO 文件编译为 class 文件

strace -ff：追踪进程所执行的结果输出对应的前缀文件【/opt/test-file-io/out】中

基本 IO

跳转目录：cd /opt/test-file-io

执行最基本 IO 写：./my.sh 0

执行 pcstat 观察页缓存信息：ll -h && pcstat out.txt，显示每个文件的大小并把 Page Cache 的使用情况显示到 out.txt 文件下

会出现以下两种情况：

  1. 第一种：正常关机，会执行中断，告诉硬件要关机了，内存会将 dirty 数据刷写到磁盘上去，重启后可以看到这些数据
  2. 第二种：直接强制关机，程序仍然在运行，但内存还没来得及刷写就关机了.

Buffer IO

为什么 Buffer 写比普通 File 要快？

用户态、内核态切换的次数不同，因为 buffer 在 JVM 中是以 8KB byte[] 字节数组存起来再调用内核写入内存的，但是普通 File 是每次写入都会调用内核写入到内存

Buffer、普通 File 在内核调用的方式区别如下：

  • 普通 File：write(4, "123456789\n", 10) = 10 byte
  • Buffer：write(4, "123456789\n123456789\n123456789\n12"..., 8190) = 8190 ≈ 8K

接下来继续测试 Buffer IO 情况

1、执行 Buffer IO 写：./my.sh 1

2、执行 pcstat 观察页缓存信息：ll -h && pcstat out.txt，显示每个文件的大小并把 Page Cache 的使用情况显示到 out.txt 文件下

3、使用 free -h 命令查看内存占用大小

[root@node3 ~]# free -h
       总大小.       使用大小.     空闲大小.           缓冲区大小.   可用大小.       
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           1.4G        139M        1.1G        8.6M        201M        1.2G
Swap:          2.0G          0B        2.0G

会出现以下两种情况：

  1. 若当前文件的大小一直膨胀到超过物理磁盘的 90%，强制关机，会将该文件的内容（out.txt）刷写到磁盘中去
  2. 若未超过 90%，强制关机之后，所有数据都会被清空.

NIO

ByteBuffer 基础认识

@Test
public void whatByteBuffer() {
   // ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 堆内分配
   ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);// 堆外分配
   System.out.println("postition: " + buffer.position());
   System.out.println("limit: " + buffer.limit());
   System.out.println("capacity: " + buffer.capacity());
   System.out.println("mark: " + buffer);
   buffer.put("123".getBytes());
   System.out.println("-------------put:123......");
   System.out.println("mark: " + buffer);
   buffer.flip();   // 读写交替：读取之前先要 flip
   System.out.println("-------------flip......");
   System.out.println("mark: " + buffer);
   buffer.get();// 取一个字节：position 位置向右移
   System.out.println("-------------get......");
   System.out.println("mark: " + buffer);
   buffer.compact();// // 写操作：从未读取的位置开始重新写入
   System.out.println("-------------compact......");
   System.out.println("mark: " + buffer);
   buffer.clear();
   System.out.println("-------------clear......");
   System.out.println("mark: " + buffer);
}

flip：当往里面取出字节时，pos 向左移，limit 就要占用之前 pos 在右边的位置

compact：当往里面存放字节时，pos 向右移（将读取过的拿出去，重新回归到未存数据的地方）

接下来继续测试 NIO 情况

执行 NIO写：./my.sh 2

执行结果如下：

write------------   # 调用了普通 IO 写
seek---------     # 随机写
map--put--------  # 堆外映射写
java.nio.HeapByteBuffer[pos=4096 lim=8192 cap=8192]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4096 cap=8192]
@@llovnjohn
study every day   # ByteBuffer 写

总结

  1. JVM 堆在 Java 应用程序堆里面，堆内：指的是 JVM 堆里面的字节数组；堆外：JVM 堆外，指的是 Java 进程里面的
  2. mmap(Memory Map)内存映射：mmap 调用的是进程和内存共享的内存区域，且这个内存区域是 pagecache 到磁盘文件的映射，一对一的关系；mmap 仍然受内核的 pagecache 体系约束，换言之，仍然会丢数据
  3. 直接 IO：忽略 Linux 中的 pagecache，把 pagecache 交给了程序自身去开辟一个字节数组来当作 pagecache，动用代码逻辑来维护一致性、dirty 脏页等一系列的问题，可以去 GitHub 上找一些其他 C 程序员写的 JNI 扩展库，例如：使用 Linux 内核的 Direct IO
  4. 性能对比：on heap(堆内) < off heap(堆外) < mapped
  5. 使用场景：Netty(on heap、off heap)、Kafka Log 日志文件映射(mmap)，总之，堆内堆外、mmap 都会经过 pagecache，都会丢数据

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推荐专栏：Spring、MySQL，订阅一波不再迷路

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缓存优化
缓存优化性能
Linux性能
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