43-页回写

2.11.3　页回写

正如2.3.6小节介绍的那样，内核通过缓冲区来延迟写操作。当进程发起写请求，数据被拷贝到缓冲区，并将该该缓冲区标记为“脏”缓冲区，这意味着内存中的拷贝要比磁盘上的新。此时，写请求就可以返回了。如果后续对同一份数据块有新的写请求，缓冲区就会更新成新的数据。对该文件中其他部分的写请求则会开辟新的缓冲区。

最后，那些“脏”缓冲区需要写到磁盘，将磁盘文件和内存数据同步。这个过程就是所谓的“回写（writeback）”。以下两个情况会触发回写：

• 当空闲内存小于设定的阈值时，“脏”缓冲区就会回写到磁盘上，这样被清理的缓冲区会被移除，释放内存空间。
• 当“脏”缓冲区的时长超过设定的阈值时，该缓冲区就会回写到磁盘。通过这种方式，可以避免数据一直是“脏”数据。

回写是由一组称为flusher的内核线程来执行的。当出现以上两种场景之一时，flusher线程被唤醒，并开始将“脏”缓冲区写到磁盘，直到不满足回写的触发条件。

可能存在多个flusher线程同时执行回写。多线程是为了更好地利用并行性，避免拥塞。拥塞避免（congestion avoidance）机制确保在等待向某个块设备进行写操作时，还能够支持其他的写操作。如果其他块设备存在脏缓冲区，不同flusher线程会充分利用每一块设备。这种方式解决了之前内核的一处不足： 先前版本的flusher线程（pdflush以及bdflush）会一直等待某个块设备，而其他块设备却处于空闲状态。在现代计算机上，Linux内核可以使多个磁盘处于饱和状态。

缓冲区在内核中是通过buffer _ head数据结构来表示的。该数据结构跟踪和缓冲区相关的各种元数据，比如缓冲区是否是“脏”缓冲区。同时，它还维护了一个指向真实数据的指针。这部分数据保存在页缓存中。通过这种方式，实现了缓冲子系统（buffer subsystem）和页缓存之间的统一。

在早期的Linux内核版本中（2.4以前），缓冲子系统与页缓存是分离的，因此同时存在页缓存和缓冲缓存。这意味着数据可以同时在缓冲缓存（作为“脏”缓冲区）和页缓存（用来缓存数据）中存在。不可避免地，对这两个独立缓存进行同步需要很多工作。因此，在2.4 Linux内核中引入了统一的页缓存，这个改进很不错！

在Linux中，延迟写和缓冲子系统使得写操作性能很高，其代价是如果电源出现故障，可能会丢失数据。为了避免这种风险，关键应用可以使用同步I/O来保证（在本章先前讨论过）。