Linux Kernel (Ядро линукса) (часть 2)

Кэш страниц

Кэш страниц — это главный дисковый кэш, используемый ядром Linux. Как правило, ядро обращается к кэшу страниц, когда читает данные с диска или записывает их. Для удовлетворения запросов на чтение, исходящих от процессов в режиме пользователя, в кэш добавляются новые страницы. Если страницы еще нет в кэше, в нем создается новая запись, которая заполняется данными, прочитанными с диска. Когда памяти достаточно, страница хранится в кэше неопределенно долго и может быть использована другими процессами, что избавляет их от необходимости обращаться к диску.

Аналогичным образом, прежде чем записать страницу данных на блочное устройство, ядро проверяет, имеется ли в кэше соответствующая страница. Если нет, в нем создается новая запись, которая заполняется данными, подлежащими записи на диск. Ввод/вывод данных не начинается немедленно; обновление диска откладывается на несколько секунд, что дает другим процессам шанс еще раз изменить данные, подлежащие записи (иными словами, в ядре реализованы отложенные операции записи).

Код и структуры ядра никогда не считываются с диска и не записываются на него. Следовательно, страницы, включенные в кэш, могут быть следующих типов:
- страницы, содержащие данные обычных файлов. В главе16 мы обсудим, как ядро обрабатывает операции чтения, записи и отображения в память в отношении этих файлов;
- страницы, содержащие каталоги, Linux обрабатывает каталоги почти так же, как обычные файлы;
- страницы, содержащие данные, напрямую прочитанные из файлов блочных устройств (в обход слоя файловой системы). ядро обрабатывает их с помощью того же набора функций, что и страницы, содержащие данные обычных файлов;
- страницы, содержащие данные процессов, работающих в режиме пользователя, которые были выгружены на диск. можно заставить ядро держать в кэше страниц несколько страниц, чье содержимое было уже записано в область подкачки (обычный файл или раздел на диске);
- страницы, принадлежащие файлам специальных файловых систем, например, файловой системы shm, которая обеспечивает совместно используемую память для межпроцессного взаимодействия Нетрудно заметить, что каждая страница, включенная в кэш, содержит данные, принадлежащие какому-нибудь файлу. Этот файл, а точнее, его индексный дескриптор, называется владельцем страницы.
Практически все операции read и write работают с кэшем страниц. Единственное исключение бывает, когда процесс открывает файл с установленным флагом o direct. В этом случае кэш страниц не используется, а весь ввод/вывод происходит с участием буферов в адресном пространстве процесса, работающего в режиме пользователя. Некоторые приложения для работы с базами данных устанавливают флаг o direct, чтобы иметь возможность применять собственный алгоритм кэширования.

Разработчики ядра реализовали кэш страниц так, чтобы он удовлетворял двум главным требованиям:
- быстро находить конкретную страницу, содержащую данные, имеющие отношение к указанному владельцу. Чтобы от кэша страниц была заметная польза, поиск в нем должен происходить очень быстро;
- хранить информацию о том, как именно должна обрабатываться каждая страница в кэше при чтении или записи ее содержимого. Например, чтение страницы из обычного файла, блочного устройства или области выгрузки должно выполняться по-разному, и ядро должно выбрать правильную операцию, в зависимости от того, кто владеет страницей.

Естественно, что единицей информации, хранящейся в кэше страниц, является страница данных. страница не обязательно должна содержать физически смежные блоки диска, поэтому ее нельзя идентифицировать номером устройства и номером блока. Поэтому страница в кэше идентифицируется владельцем и индексом внутри данных владельца — как правило, индексным дескриптором и смещением внутри соответствующего файла.