前言

最近遇到了一起跟磁盤相關(guān)的線上故障，借此總結(jié)一下之前不太了解的Linux磁盤緩存相關(guān)的知識(shí)。

總的來(lái)說(shuō)磁盤緩存出現(xiàn)的原因大概有兩個(gè)：第一是訪問(wèn)磁盤的速度遠(yuǎn)慢于訪問(wèn)內(nèi)存的速度，通過(guò)在內(nèi)存中緩存磁盤內(nèi)容可以提高訪問(wèn)速度；第二是根據(jù)程序的局部性原理，數(shù)據(jù)一旦被訪問(wèn)過(guò)，就很有可能在短時(shí)間內(nèi)再次被訪問(wèn)，所以在內(nèi)存中緩存磁盤內(nèi)容可以提高程序運(yùn)行速度。

局部性原理

程序局部性原理：程序在執(zhí)行時(shí)呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，即在一段時(shí)間內(nèi)，整個(gè)程序的執(zhí)行僅限于程序中的某一部分。相應(yīng)地，執(zhí)行所訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間也局限于某個(gè)內(nèi)存區(qū)域，具體來(lái)說(shuō)，局部性通常有兩種形式：時(shí)間局部性和空間局部性。

時(shí)間局部性：被引用過(guò)一次的存儲(chǔ)器位置在未來(lái)會(huì)被多次引用。

空間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)器的位置被引用，那么將來(lái)他附近的位置也會(huì)被引用。

頁(yè)緩存

Linux系統(tǒng)中為了減少對(duì)磁盤的IO操作，會(huì)將打開(kāi)的磁盤內(nèi)容進(jìn)行緩存，而緩存的地方則是物理內(nèi)存，進(jìn)而將對(duì)磁盤的訪問(wèn)轉(zhuǎn)換成對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)，有效提高程序的速度。Linux的緩存方式是利用物理內(nèi)存緩存磁盤上的內(nèi)容，稱為頁(yè)緩存（page cache）。

頁(yè)緩存是由內(nèi)存中的物理頁(yè)面組成的，其內(nèi)容對(duì)應(yīng)磁盤上的物理塊。頁(yè)緩存的大小會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)存空閑大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，它可以通過(guò)占用內(nèi)存以擴(kuò)張大小，也可以自我收縮以緩解內(nèi)存使用壓力。

在虛擬內(nèi)存機(jī)制出現(xiàn)以前，操作系統(tǒng)使用塊緩存系列，但是在虛擬內(nèi)存出現(xiàn)以后，操作系統(tǒng)管理IO的粒度更大，因此采用了頁(yè)緩存機(jī)制，頁(yè)緩存是基于頁(yè)的、面向文件的緩存機(jī)制。

頁(yè)緩存的讀取

Linux系統(tǒng)在讀取文件時(shí)，會(huì)優(yōu)先從頁(yè)緩存中讀取文件內(nèi)容，如果頁(yè)緩存不存在，系統(tǒng)會(huì)先從磁盤中讀取文件內(nèi)容更新到頁(yè)緩存中，然后再?gòu)捻?yè)緩存中讀取文件內(nèi)容并返回。

大致過(guò)程如下：

• 進(jìn)程調(diào)用庫(kù)函數(shù)read發(fā)起讀取文件請(qǐng)求

• 內(nèi)核檢查已打開(kāi)的文件列表，調(diào)用文件系統(tǒng)提供的read接口

• 找到文件對(duì)應(yīng)的inode，然后計(jì)算出要讀取的具體的頁(yè)

• 通過(guò)inode查找對(duì)應(yīng)的頁(yè)緩存，1）如果頁(yè)緩存節(jié)點(diǎn)命中，則直接返回文件內(nèi)容；2）如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)的頁(yè)緩存，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺頁(yè)異常（page fault）。這時(shí)系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建新的空的頁(yè)緩存并從磁盤中讀取文件內(nèi)容，更新頁(yè)緩存，然后重復(fù)第4步

• 讀取文件返回

所以說(shuō)，所有的文件內(nèi)容的讀取，無(wú)論最初有沒(méi)有命中頁(yè)緩存，最終都是直接來(lái)源于頁(yè)緩存。

頁(yè)緩存的寫(xiě)入

因?yàn)轫?yè)緩存的存在，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用write時(shí)，對(duì)文件的更新僅僅是被寫(xiě)到了文件的頁(yè)緩存中，讓后將對(duì)應(yīng)的頁(yè)標(biāo)記為dirty，整個(gè)過(guò)程就結(jié)束了。Linux內(nèi)核會(huì)在周期性地將臟頁(yè)寫(xiě)回到磁盤，然后清理掉dirty標(biāo)識(shí)。

由于寫(xiě)操作只會(huì)把變更寫(xiě)入頁(yè)緩存，因此進(jìn)程并不會(huì)因此為阻塞直到磁盤IO發(fā)生，如果此時(shí)計(jì)算機(jī)崩潰，寫(xiě)操作的變更可能并沒(méi)有發(fā)生在磁盤上。所以對(duì)于一些要求比較嚴(yán)格的寫(xiě)操作，比如數(shù)據(jù)系統(tǒng)，就需要主動(dòng)調(diào)用fsync等操作及時(shí)將變更同步到磁盤上。讀操作則不同，read通常會(huì)阻塞直到進(jìn)程讀取到數(shù)據(jù)，而為了減少讀操作的這種延遲，Linux系統(tǒng)還是用了“預(yù)讀”的技術(shù)，即從磁盤中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核將會(huì)多讀取一些頁(yè)到頁(yè)緩存中。

回寫(xiě)線程

頁(yè)緩存的回寫(xiě)是由內(nèi)核中的單獨(dú)的線程來(lái)完成的，回寫(xiě)線程會(huì)在以下3種情況下進(jìn)行回寫(xiě)：

• 空閑內(nèi)存低于閾值時(shí)。當(dāng)空閑內(nèi)存不足時(shí)，需要釋放掉一部分緩存，由于只有不臟的頁(yè)才能被釋放，所以需要把臟頁(yè)都回寫(xiě)到磁盤，使其變?yōu)榭苫厥盏母蓛舻捻?yè)。

• 臟頁(yè)在內(nèi)存中處理時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)。這是為了確保臟頁(yè)不會(huì)無(wú)限期的留在內(nèi)存中，減少數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

• 當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用sync和fsync系統(tǒng)調(diào)用時(shí)。這是為了給用戶進(jìn)程提供強(qiáng)制回寫(xiě)的方法，滿足回寫(xiě)要求嚴(yán)格的使用場(chǎng)景。

回寫(xiě)線程的實(shí)現(xiàn)

名稱	版本	說(shuō)明
bdflush	2.6版本以前	bdflush 內(nèi)核線程在后臺(tái)運(yùn)行，系統(tǒng)中只有一個(gè) bdflush 線程，當(dāng)內(nèi)存消耗到特定閥值以下時(shí)，bdflush 線程被喚醒。kupdated 周期性的運(yùn)行，寫(xiě)回臟頁(yè)。 但是整個(gè)系統(tǒng)僅僅只有一個(gè) bdflush 線程，當(dāng)系統(tǒng)回寫(xiě)任務(wù)較重時(shí)，bdflush 線程可能會(huì)阻塞在某個(gè)磁盤的I/O上，導(dǎo)致其他磁盤的I/O回寫(xiě)操作不能及時(shí)執(zhí)行。
pdflush	2.6版本引入	pdflush 線程數(shù)目是動(dòng)態(tài)的，取決于系統(tǒng)的I/O負(fù)載。它是面向系統(tǒng)中所有磁盤的全局任務(wù)的。 但是由于 pdflush 是面向所有磁盤的，所以有可能出現(xiàn)多個(gè) pdflush 線程全部阻塞在某個(gè)擁塞的磁盤上，同樣導(dǎo)致其他磁盤的I/O回寫(xiě)不能及時(shí)執(zhí)行。
flusher線程	2.6.32版本以后引入	flusher 線程的數(shù)目不是唯一的，同時(shí)flusher線程不是面向所有磁盤的，而是每個(gè)flusher線程對(duì)應(yīng)一個(gè)磁盤

頁(yè)緩存的回收

Linux中頁(yè)緩存的替換邏輯是一個(gè)修改過(guò)的LRU實(shí)現(xiàn)，也稱為雙鏈策略。和以前不同，Linux維護(hù)的不再是一個(gè)LRU鏈表，而是維護(hù)兩個(gè)鏈表：活躍鏈表和非活躍鏈表。處于活躍鏈表上的頁(yè)面被認(rèn)為是“熱”的且不會(huì)被換出，而在非活躍鏈表上的頁(yè)面則是可以被換出的。在活躍鏈表中的頁(yè)面必須在其被訪問(wèn)時(shí)就處于非活躍鏈表中。兩個(gè)鏈表都被偽LRU規(guī)則維護(hù)：頁(yè)面從尾部加入，從頭部移除，如同隊(duì)列。兩個(gè)鏈表需要維持平衡–如果活躍鏈表變得過(guò)多而超過(guò)了非活躍鏈表，那么活躍鏈表的頭頁(yè)面將被重新移回到非活躍鏈表中，一遍能再被回收。雙鏈表策略解決了傳統(tǒng)LRU算法中對(duì)僅一次訪問(wèn)的窘境。而且也更加簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了偽LRU語(yǔ)義。這種雙鏈表方式也稱作LRU/2。更普遍的是n個(gè)鏈表，故稱LRU/n。

【推薦學(xué)習(xí)：《linux視頻教程》】

總結(jié)

在這次遇到的線上故障中，根本原因在于在業(yè)務(wù)邏輯中使用了臨時(shí)文件做緩存，一個(gè)臨時(shí)文件創(chuàng)建后如果在短時(shí)間內(nèi)刪除，這時(shí)候?qū)@個(gè)文件的操作都是在頁(yè)緩存內(nèi)進(jìn)行，不會(huì)實(shí)際回寫(xiě)到磁盤。當(dāng)程序出現(xiàn)問(wèn)題響應(yīng)變慢時(shí)，臨時(shí)文件存活時(shí)間變長(zhǎng)，就可能會(huì)使其被回寫(xiě)到磁盤上，導(dǎo)致磁盤壓力過(guò)大，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)。