PageCache

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1. 概要

LinuxのディスクキャッシュはPageCacheとして実装されている。PageCacheはストレージ上のファイルをキャッシュする(*1)。PageCacheはファイルの先頭から物理ページサイズ単位に区切ってページ単位にキャッシュする。このため、"Page"Cacheと呼ばれる。

ファイルのRead/WriteはPageCacheを経由する。

(*1) 同じようなディスクキャッシュとしてBufferがある。Bufferはファイルではなくディスクブロックをキャッシュする。こちらはi-nodeなどのディスク上のメタデータなどをブロックリードする時などに使用される。

2. PageCacheの管理方法

2.1 address_space構造体

PageCacheはストレージ上のファイルを物理ページにマッピングして、そのアドレス空間を管理するのにstruct address_space構造体を使用する。

RadixTreeはi-node単位に持つ(i-node単位にaddress spaceがあり、そこにPageCacheのPageTreeのRootがある)。RadixTreeのキーはaddress space内でのページオフセット(ページ数)。i-nodeがブロックデバイスの場合はaddress spaceはデバイス全体を指すのでデバイス先頭からのページ数になる。

ページキャッシュはinode(正確にはaddress space)とファイル先頭からのオフセット(ページ数)でユニークに識別される。

ページキャッシュの構造を図1に示す。

図1 PageCacheの構造

inodeのi_mappingは、このinodeに対応するaddress_spaceを指す。
address_spaceのhostはinodeを指す。ブロックデバイスだった場合は、ブロックデバイスのinodeを指している。
page_treeはPageCacheであるRadixTreeへのポインタ。
RadiXTreeにはページオフセットをキーにpage構造体が登録されている。
pageのmappingは属しているaddress_spaceを指す(つまりinodeのaddress_space)。
indexはファイル先頭からのオフセットでファイルの何処をキャッシュしているかを示している。
pageに該当する物理ページにindexが指しているファイルの内容がキャッシュされている。

2.2 LRUリスト

address_spaceに登録されたページはLRUリスト(Active/Inactiveリスト)にも登録される。最初はInactiveリストに登録される。

3. 関連関数

find_or_create_page()

PageCacheに新規ページを割り当てる。

割り当てたPageCacheはRadixTreeとLRUリストに登録される。LRUリストはInactiveリストの方につながれる。

find_or_create_page() -> add_to_page_cache_lru() -> lru_cache_add() -> __pagevec_lru_add() -> add_page_to_inactive_list() - Inactiveリストへ登録

find_get_page(mapping, offset)

PageCacheの検索ルーチン
mappingのoffsetページをキャッシュしているPageCacheを検索する。

mapping->page_treeのRadixTreeからoffset(ページ数)でPageCacheを検索

add_to_page_cache()

PageCacheにページを追加する。
RadixTreeへの追加のみで、LRUリストには追加されない。

pageにはPG_lockedがセットされる。

add_to_page_cache_lru()

add_to_page_cache()を呼んで、RadixTreeにページを登録してLRUリストにも登録する。

remove_from_page_cache()

mark_page_accessed(page)

ページにアクセスがあった場合に呼び出される。

pageがInactiveリストに入っていたら、Activeリストに移動する。Activeリストに入っていたらPG_referencedを立てておく。

[フラグ]
PG_uptodate

ページにデータが読みこまれてキャッシュが最新の状態になるとSetPageUptodate()で設定する。
mpage_end_io_read()参照。

[関連ページ]
物理ページ管理