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Linux是一款廣泛使用的操作系統(tǒng)，擁有著良好的穩(wěn)定性和可靠性。在運行過程中，Linux會自動對一些重復(fù)操作所使用的數(shù)據(jù)進行緩存，以提高系統(tǒng)的性能。這種緩存機制在Linux系統(tǒng)中被稱作頁面緩存，是優(yōu)化系統(tǒng)性能的關(guān)鍵一頁。
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一、頁面緩存的概念
頁面緩存，即Page Cache，是Linux系統(tǒng)自帶的一種緩存機制。它將磁盤中的文件數(shù)據(jù)全部讀入內(nèi)存，緩存住這些數(shù)據(jù)，使得后續(xù)的讀操作可以直接從內(nèi)存中獲取，而無需再從磁盤中讀取。這樣可以大大縮短I/O操作的時間，提高系統(tǒng)性能。
二、頁面緩存的工作原理
在Linux系統(tǒng)中，每一個文件都被抽象為一個inode，inode是文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一部分，它包含了文件的元數(shù)據(jù)（例如大小、權(quán)限等）以及指向文件內(nèi)容的指針。當(dāng)用戶運行一個應(yīng)用程序讀取某個文件時，Linux會通過讀取該文件的inode來獲取文件的物理位置。如果該文件存在于頁面緩存中，則直接從緩存中讀取數(shù)據(jù)，否則就需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)。
頁面緩存機制的本質(zhì)是將磁盤中的文件數(shù)據(jù)全部讀入內(nèi)存，并將其緩存住，使得后續(xù)的讀操作可以直接從緩存中獲取。在實現(xiàn)上，Linux會為每一個文件打開一個緩存頁面列表，將文件的所有緩存頁面鏈接在一起，形成一個鏈表。當(dāng)應(yīng)用程序請求讀取某個文件時，Linux會檢查該文件的緩存頁面列表，如果該頁面已經(jīng)在內(nèi)存中，則直接返回緩存頁面的數(shù)據(jù)；否則就需要從磁盤中讀取該頁面的數(shù)據(jù)，并將其添加到緩存頁面列表中。
當(dāng)應(yīng)用程序進行寫操作時，頁面緩存會將用戶寫入的數(shù)據(jù)暫存在內(nèi)存中，并且在一定時間后寫回磁盤。在這個過程中，Linux會將正在寫入的數(shù)據(jù)標(biāo)記為臟頁，同時在緩存中保留一份該頁面的拷貝，以便后續(xù)的讀操作能夠直接從緩存中獲取。在內(nèi)存空間不足時，Linux會優(yōu)先將臟頁寫回磁盤，并釋放掉這部分內(nèi)存空間。
除了文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的緩存外，頁面緩存還會緩存進程的內(nèi)存數(shù)據(jù)。在程序運行時，Linux會將進程的數(shù)據(jù)（例如棧、堆等）保存在內(nèi)存中，而這部分數(shù)據(jù)同樣可以被緩存到頁面中，以避免反復(fù)的IO操作。
三、頁面緩存的優(yōu)勢
頁面緩存作為Linux系統(tǒng)的核心功能之一，在提高系統(tǒng)性能、減少IO操作等方面具有重要的作用。
頁面緩存可以大大縮短I/O操作的時間，提高系統(tǒng)性能。相對于從磁盤中讀取數(shù)據(jù)，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)的速度相對要快得多，因為讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的速度普遍比訪問硬盤的速度快10倍以上。這意味著，使用頁面緩存可以大大降低I/O操作的時間延遲，提高數(shù)據(jù)讀取的速度，從而為系統(tǒng)的性能提供了有力的支持。
頁面緩存可以減少對磁盤的訪問次數(shù)，從而減少對硬件的使用量。這對于頻繁進行IO操作的應(yīng)用程序尤為重要。通過減少對磁盤的訪問，可以降低磁盤使用壽命，延長磁盤的使用壽命。
頁面緩存是一種最有效的提高系統(tǒng)性能的方式之一。它通過減少文件IO操作來縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，同時也為系統(tǒng)提供了更多的內(nèi)存空間，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。
四、頁面緩存的缺陷
盡管頁面緩存是一種很有用的技術(shù)，但是它在某些情況下也會帶來一些問題。
頁面緩存會占用大量的內(nèi)存空間。特別是在處理大型文件時，緩存區(qū)可能會占用數(shù)百MB的內(nèi)存空間，這可能會導(dǎo)致其他應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)能力下降。對于一些資源有限的設(shè)備，例如個人電腦和嵌入式設(shè)備等，建議盡量避免大規(guī)模使用頁面緩存。
頁面緩存可能會引起一些奇怪的現(xiàn)象，例如文件的修改并不會立即反映在內(nèi)存中。由于頁面緩存將文件的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，因此它可能會導(dǎo)致文件的修改被延遲寫入磁盤，從而導(dǎo)致在重啟時數(shù)據(jù)的丟失。
頁面緩存可能會成為一個安全漏洞。如果攻擊者能夠獲取系統(tǒng)中的緩存數(shù)據(jù)，并且能夠在其中進行惡意篡改，那么系統(tǒng)的安全性將會受到嚴重的威脅。因此，在使用頁面緩存時，需要進行一些必要的安全措施。
五、結(jié)論
頁面緩存是Linux系統(tǒng)中非常重要的一部分，它可以提高系統(tǒng)性能、減少對硬件的使用等，同時也為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了保障。當(dāng)然，頁面緩存也存在一些缺點，需要注意一些安全和可用性問題。因此，在使用頁面緩存時，需要謹慎考慮各種因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux 內(nèi)核的內(nèi)存管理 – 概念
Linux 內(nèi)核的內(nèi)存管理 – 概念
Concepts overview — The Linux Kernel documentation
Linux中的內(nèi)存管理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，它包含越來越多的功能，以支持從 MMU-less microcontrollers 到 supercomputers 的各種系統(tǒng)。
沒有MMU內(nèi)存管理的系統(tǒng)被稱為 nommu ，它值得寫一份專門的文檔進行描述。
盡管有些概念是相同的，這里我們假設(shè)MMU可用，CPU可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。
計算機系統(tǒng)中的物理內(nèi)存是有限資源，即便支持內(nèi)存熱插拔，其可以安裝的內(nèi)存也有限的。物理內(nèi)存不一定必須是連續(xù)的；它可以作為一組不同的地址范圍被訪問。此外，不同的CPU架構(gòu)，甚至同架構(gòu)的不同實現(xiàn)對如何定義這些地址范圍都是不同的。
這使得直接處理物理內(nèi)存異常復(fù)雜，為了避免這種復(fù)雜性，開發(fā)了
虛擬內(nèi)存 （virtual memory）
的概念。
虛擬內(nèi)存從應(yīng)用軟件中抽象出物理內(nèi)存的細節(jié)，只允許在物理內(nèi)存棗神中保留需要的信息
（demand paging）
，并提供一種機制來保護和控制進程之間的數(shù)據(jù)共享。
通過虛擬內(nèi)存，每次內(nèi)存訪問都訪問一個
虛擬地址
。當(dāng)CPU對從系統(tǒng)內(nèi)存讀取（或?qū)懭耄┑闹噶钸M行解碼時，它將該指令中編碼的虛擬地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存控制器可以理解的物理地址。
物理內(nèi)存被切分為
頁幀 page frames
或
頁 pages
。頁的大小是基于架構(gòu)的。一些架構(gòu)允許從幾個支持的值中選擇頁大??；此選擇在內(nèi)核編譯時設(shè)置到內(nèi)核配置。
每個物理內(nèi)存頁都可以映射為一個或多個
虛擬頁（virtual pages）
。映射關(guān)系描述在
頁表（page tables）
中，頁表將程序使用的虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址。頁表以層次結(jié)構(gòu)組織。
更底層的表包含軟件使用的實際內(nèi)存頁的物理地址。較高層的表包含較低層表頁的物理地址。頂層表的指針駐留在寄存器中。
當(dāng)CPU進行地址轉(zhuǎn)換的時候，它使用寄存器訪問頂級頁表。
虛擬地址的高位，用于頂級頁表的條目索引。然后，通過該條目訪問下級，下級的虛擬地址位又作為其下下級頁表的索引。虛擬地址的更低位定義實際頁內(nèi)的偏移量。
地址轉(zhuǎn)換需要多次內(nèi)存訪問，而內(nèi)存訪問相對于CPU速度來說比較慢。為了避免在地址轉(zhuǎn)換上花費寶貴的處理器周期，CPU維護著一個稱為
TLB
（Translation Lookaside Buffer）的用于地址轉(zhuǎn)換緩存（cache）。通常TLB是非常稀缺的資源，需要大內(nèi)存工作應(yīng)用程序會因為TLB未命中而影響性能。
很多現(xiàn)代CPU架構(gòu)允許頁表的高層直接映射到內(nèi)存頁。例如，x86架構(gòu)，可以通過二級、三級頁表的條目映射2M甚至1G內(nèi)存頁。在Linux中，這些內(nèi)存頁稱為
大頁 （Huge）
。大頁的使用顯著降低了TLB的壓力，提高了TLB命中率，從而提高了系統(tǒng)的整體性能。
Linux提供兩種機制開啟使用大頁映射物理內(nèi)存。
之一個是
HugeTLB
文件系統(tǒng)，即
hugetlbfs
。它是一個偽文件系統(tǒng)，使用RAM作為其存儲。在此文件系統(tǒng)中創(chuàng)建的文件，數(shù)據(jù)駐留在內(nèi)存中，并使用大頁進行映射。
關(guān)于 HugeTLB Pages
另一個被稱為
THP (Transparent HugePages)
，后出的開啟大頁映射物理內(nèi)存的機制。
與
hugetlbfs
不同，hugetlbfs要求用戶和/或系統(tǒng)管理員配置系統(tǒng)內(nèi)存的哪些部分應(yīng)該并可以被大頁映射；THP透明地管理這些映射并獲取名稱。
關(guān)于 Transparent Hugepage Support
通常，硬件對不同物理內(nèi)存范圍的訪問方式有所限制。某些情況下，設(shè)備不能對所有可尋址內(nèi)存執(zhí)行DMA。在其他情況下，物理內(nèi)存的大小超過虛擬內(nèi)存的更大可尋址大小，需要采取改巖大特殊措施來訪問部分內(nèi)存。還有些情況，物理內(nèi)存的尺寸超過了虛擬內(nèi)存的更大可尋址尺寸，需要采取特殊措施來訪問部分內(nèi)存。
Linux根據(jù)內(nèi)存頁的使用情況，將其組合為多個
zones
。比如， ZONE_DMA 包含設(shè)備用于DMA的內(nèi)存， ZONE_HIGHMEM 包含未永久映射到內(nèi)核核豎地址空間的內(nèi)存， ZONE_NORMAL 包含正常尋址內(nèi)存頁。
內(nèi)存zones的實際層次架構(gòu)取決于硬件，因為并非所有架構(gòu)都定義了所有的zones，不同平臺對DMA的要求也不同。
多處理器機器很多基于
NUMA
（Non-Uniform Memory Access system – 非統(tǒng)一內(nèi)存訪問系統(tǒng) ）架構(gòu)。 在這樣的系統(tǒng)中，根據(jù)與處理器的“距離”，內(nèi)存被安排成具有不同訪問延遲的
banks
。每個
bank
被稱為一個
node
，Linux為每個
node
構(gòu)造一個獨立的內(nèi)存管理子系統(tǒng)。
Node
有自己的zones、free&used頁面列表，以及各種統(tǒng)計計數(shù)器。
What is NUMA?
NUMA Memory Policy
物理內(nèi)存易失，將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存的常見情況是讀取文件。讀取文件時，數(shù)據(jù)會放入
頁面緩存（page cache）
，可以在再次讀取時避免耗時的磁盤訪問。同樣，寫文件時，數(shù)據(jù)也會被放入
頁面緩存
，并最終進入存儲設(shè)備。被寫入的頁被標(biāo)記為
臟頁（dirty page）
，當(dāng)Linux決定將其重用時，它會將更新的數(shù)據(jù)同步到設(shè)備上的文件。
匿名內(nèi)存 anonymous memory
或
匿名映射 anonymous mappings
表示沒有后置文件系統(tǒng)的內(nèi)存。這些映射是為程序的stack和heap隱式創(chuàng)建的，或調(diào)用mmap（2）顯式創(chuàng)建的。通常，匿名映射只定義允許程序訪問的虛擬內(nèi)存區(qū)域。讀，會創(chuàng)建一個頁表條目，該條目引用一個填充有零的特殊物理頁。寫，則分配一個常規(guī)物理頁來保存寫入數(shù)據(jù)。該頁將被標(biāo)記為臟頁，如果內(nèi)核決定重用該頁，則臟頁將被交換出去
swapped out
。
縱貫整個系統(tǒng)生命周期，物理頁可用于存儲不同類型的數(shù)據(jù)。它可以是內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備驅(qū)動DMA緩沖區(qū)、讀取自文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、用戶空間進程分配的內(nèi)存等。
根據(jù)內(nèi)存頁使用情況，Linux內(nèi)存管理會區(qū)別處理?？梢噪S時釋放的頁面稱為
可回收（reclaimable）
頁面，因為它們把數(shù)據(jù)緩存到了其他地方（比如，硬盤），或者被swap out到硬盤上。
可回收頁最值得注意的是
頁面緩存
和
匿名頁面
。
在大多數(shù)情況下，存放內(nèi)部內(nèi)核數(shù)據(jù)的頁，和用作DMA緩沖區(qū)的頁無法重用，它們將保持現(xiàn)狀直到用戶釋放。這樣的被稱為
不可回收頁（unreclaimable）
。
然而，在特定情況下，即便是內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用的頁面也會被回收。
例如，文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的緩存（in-memory）可以從存儲設(shè)備中重新讀取，因此，當(dāng)系統(tǒng)存在內(nèi)存壓力時，可以從主內(nèi)存中丟棄它們。
釋放可回收物理內(nèi)存頁并重新調(diào)整其用途的過程稱為
(surprise!) reclaim
。
Linux支持異步或同步回收頁，取決于系統(tǒng)的狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)負載不高時，大部分內(nèi)存是空閑的，可以立即從空閑頁得到分配。
當(dāng)系統(tǒng)負載提升后，空閑頁減少，當(dāng)達到某個閾值（
low watermark
）時，內(nèi)存分配請求將喚醒
kswapd
守護進程。它將以異步的方式掃描內(nèi)存頁。如果內(nèi)存頁中的數(shù)據(jù)在其他地方也有，則釋放這些內(nèi)存頁；或者退出內(nèi)存到后置存儲設(shè)備（關(guān)聯(lián)
臟頁
）。
隨著內(nèi)存使用量進一步增加，并達到另一個閾值-
min watermark
-將觸發(fā)回收。這種情況下，分配將暫停，直到回收到足夠的內(nèi)存頁。
當(dāng)系統(tǒng)運行時，任務(wù)分配并釋放內(nèi)存，內(nèi)存變得碎片化。
雖然使用虛擬內(nèi)存可以將分散的物理頁表示為虛擬連續(xù)范圍，但有時需要分配大的連續(xù)的物理內(nèi)存。這種需求可能會提升。例如，當(dāng)設(shè)備驅(qū)動需要一個大的DMA緩沖區(qū)時，或當(dāng)THP分配一個大頁時。
內(nèi)存地址壓縮（compaction ）
解決了碎片問題。
該機制將占用的頁從內(nèi)存zone的下部移動到上部的空閑頁。壓縮掃描完成后，zone開始處的空閑頁就并在一起了，分配較大的連續(xù)物理內(nèi)存就可行了。
與
reclaim
類似，
compaction
可以在
kcompactd守護進程中異步進行，也可以作為內(nèi)存分配請求的結(jié)果同步進行。
在存在負載的機器上，內(nèi)存可能會耗盡，內(nèi)核無法回收到足夠的內(nèi)存以繼續(xù)運行。
為了保障系統(tǒng)的其余部分，引入了
OOM killer
。
OOM killer
選擇犧牲一個任務(wù)來保障系統(tǒng)的總體健康。選定的任務(wù)被killed，以期望在它退出后釋放足夠的內(nèi)存以繼續(xù)正常的操作。
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