Page Cache与Page回写
在了解Page Cache之前我们先了解一下相关概念。
# Block
操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个**"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是4KB，即连续八个sector组成一个 block**。
# Page
每次磁盘IO读取的数据我们称之为一页（page），一页的大小与操作系统有关，一般为4k或者8k。与Block不同，页是磁盘IO读取的数据存入到内存中的最小单位。
# inode
文件数据都储存在"块"中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。
每一个文件都有对应的一个inode，将inode关联到文件后系统将通过inode号来识别文件，而不是文件名。并且访问文件时将先找到inode，通过inode中记录的block位置找到该文件。
# inode的大小
inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。
每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。
查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令：
gitlib@devops:~$ df -hi
Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
udev 474K 394 473K 1% /dev
tmpfs 478K 1.1K 477K 1% /run
/dev/vda1 3.2M 316K 2.9M 10% /
tmpfs 478K 7 478K 1% /dev/shm
tmpfs 478K 5 478K 1% /run/lock
tmpfs 478K 16 478K 1% /sys/fs/cgroup
tmpfs 478K 4 478K 1% /run/user/1000
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可以用stat命令，查看某个文件的inode信息：
zhoufei@devops:~/shell$ stat check_nginx_pid.sh
File: 'check_nginx_pid.sh'
Size: 293 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: fd01h/64769d Inode: 370886 Links: 1
Access: (0755/-rwxr-xr-x) Uid: ( 1000/ zhoufei) Gid: ( 0/ root)
Access: 2018-08-10 22:35:21.177008044 +0800
Modify: 2018-08-10 22:35:21.177008044 +0800
Change: 2018-08-10 22:35:30.953004155 +0800
Birth: -
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# inode号码
每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。
这里值得重复一遍，Unix/Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。
表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：
- 首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；
- 其次，通过inode号码，获取inode信息；
- 最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。
使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码：
gitlib@devops:~/shell$ ls -i
370886 check_nginx_pid.sh
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# 硬链接
虽然每个文件都有一个inode，但是存在一种可能：多个文件的inode相同，也就即inode号、元数据、block位置都相同，这是一种什么样的情况呢？能够想象这些inode相同的文件使用的都是同一条inode记录，所以代表的都是同一个文件，这些文件所在目录的data block中的inode指针目的地都是一样的，只不过各指针对应的文件名互不相同而已。这种inode相同的文件在Linux中被称为**"硬链接"**。
硬链接文件的inode都相同，每个文件都有一个**"硬链接数"**的属性，使用ls -l的第二列就是被硬链接数，它表示的就是该文件有几个硬链接。
gitlub@devops:~/shell$ ls -l
total 4
-rwxr-xr-x 1 zhoufei root 293 Aug 10 22:35 check_nginx_pid.sh
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每创建一个文件的硬链接，实质上是多一个指向该inode记录的inode指针，并且硬链接数加1。
删除文件的实质是删除该文件所在目录data block中的对应的inode指针，所以也是减少硬链接次数，由于block指针是存储在inode中的，所以不是真的删除数据，如果仍有其他指针指向该inode，那么该文件的block指针仍然是可用的。当硬链接次数为1时再删除文件就是真的删除文件了，此时inode记录中block指针也将被删除。
# 软链接
硬链接不能跨文件系统创建，否则inode号可能会冲突。于是实现了软链接以便跨文件系统建立链接。既然是跨文件系统，那么软链接必须得有自己的inode号。
# Page Cache
Page cache，又称pcache，其中文名称为页高速缓冲存储器，简称页高缓。它用于缓存文件的逻辑内容，从而加快对磁盘上映像和数据的访问。
Page cache由内存中的物理page组成，其内容对应磁盘上的block。一个page通常包含多个block，这些block不一定是连续的。
# 读Cache
当内核发起一个读请求时（例如进程发起read()请求），首先会检查请求的数据是否缓存到了page cache中，如果有，那么直接从内存中读取，不需要访问磁盘，这被称为cache命中（cache hit）。
如果cache中没有请求的数据，即cache未命中（cache miss），就必须从磁盘中读取数据。然后内核将读取的数据缓存到cache中，这样后续的读请求就可以命中cache了。page可以只缓存一个文件部分的内容，不需要把整个文件都缓存进来。
# 写Cache
当内核发起一个写请求时（例如进程发起write()请求），同样是直接往cache中写入，后备存储中的内容不会直接更新。内核会将被写入的page标记为dirty，并将其加入dirty list中。内核会周期性地将dirty list中的page写回到磁盘上，从而使磁盘上的数据和内存中缓存的数据一致。
# Cache回收
Page cache存储的数据在I/O完成后并不回收，而是一直保存在内存中，除非内存紧张，才开始回收占用的内存。当使用的内存超过一定阈值，就要释放内存空间。cache回收的任务是选择合适的page释放，并且如果page是dirty的，需要将page写回到磁盘中再释放。
Linux 提供了这样一个参数min_free_kbytes，用来确定系统开始回收内存的阀值，控制系统的空闲内存。值越高，内核越早开始回收内存，空闲内存越高。
gitlib@devops:~$ free
total used free shared buff/cache available
Mem: 3915476 1430124 147956 44624 2337396 2132272
Swap: 0 0 0
zhoufei@devops:~$ cat /proc/sys/vm/min_free_kbytes
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# Page回写
Page cache是通过将磁盘中的数据缓存到内存中，从而减少磁盘I/O操作，从而提高性能。此外，还要确保在page cache中的数据更改时能够被同步到磁盘上，后者被称为page回写（page writeback）
# Buffer Cache
当应用程序需要读取文件中的数据时，操作系统先分配一些内存，将数据从存储设备读入到这些内存（Page Cache)中，然后再将数据分发给应用程序；当需要往文件中写数据时，操作系统先分配内存(Buffer Cache)接收用户数据，然后再将数据从内存写到磁盘上。
BufferCache通常1K，对应于一个磁盘块，用于减少磁盘IO.
# Page Cache与Buffer Cache的区别
Page Cache是内存与硬盘之间的；Buffer Cache是cpu与内存之间的;
Page cache 缓存了file，以优化文件的I/O，Buffer cache 缓冲了磁盘 block，以优化磁盘I/O。
读文件：
可能不连续的几个磁盘块 -> pageCache -> 应用程序进程空间
- 写文件：
应用程序进程 -> bufferCache -> 磁盘
# 查看Cache和Buffer用量
- free命令
zhoufei@devops:~$ free
total used free shared buff/cache available
Mem: 3915476 1430124 147956 44624 2337396 2132272
Swap: 0 0 0
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cat /proc/meminfo
gitlib@devops:~$ cat /proc/meminfo
MemTotal: 3915476 kB
MemFree: 150168 kB
MemAvailable: 2134296 kB
Buffers: 93836 kB
Cached: 1944524 kB
SwapCached: 0 kB
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