Linux磁盘缓存机制详解

磁盘缓存出现的原因大概有两个：一是访问磁盘的速度远慢于访问内存的速度，通过在内存中缓存磁盘内容可以提高访问速度；二是根据程序的局部性原理，数据一旦被访问过，就很有可能在短时间内再次被访问，所以在内存中缓存磁盘内容可以提高程序运行速度。简而言之，Linux磁盘缓存机制是为提高系统对磁盘中资源的访问速度。

接下来我们先来详细讲解一下Linux磁盘缓存机制的两大原因：

1.局部性原理

程序局部性原理：程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体来说，局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性。

时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用。

空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。

2.页缓存

Linux系统中为了减少对磁盘的IO操作，会将打开的磁盘内容进行缓存，而缓存的地方则是物理内存，进而将对磁盘的访问转换成对内存的访问，有效提高程序的速度。Linux的缓存方式是利用物理内存缓存磁盘上的内容，称为页缓存（page cache）。

页缓存是由内存中的物理页面组成的，其内容对应磁盘上的物理块。页缓存的大小会根据系统的内存空闲大小进行动态调整，它可以通过占用内存以扩张大小，也可以自我收缩以缓解内存使用压力。

在虚拟内存机制出现以前，操作系统使用块缓存系列，但是在虚拟内存出现以后，操作系统管理IO的粒度更大，因此采用了页缓存机制，页缓存是基于页的、面向文件的缓存机制。

在这次遇到的线上故障中，根本原因在于在业务逻辑中使用了临时文件做缓存，一个临时文件创建后如果在短时间内删除，这时候对这个文件的操作都是在页缓存内进行，不会实际回写到磁盘。当程序出现问题响应变慢时，临时文件存活时间变长，就可能会使其被回写到磁盘上，导致磁盘压力过大，进而影响整个系统。

Linux系统在读取文件时，会优先从页缓存中读取文件内容，如果页缓存不存在，系统会先从磁盘中读取文件内容更新到页缓存中，然后再从页缓存中读取文件内容并返回。大致过程如下：

1)进程调用库函数read发起读取文件请求

2)内核检查已打开的文件列表，调用文件系统提供的read接口

3)找到文件对应的inode，然后计算出要读取的具体的页

4)通过inode查找对应的页缓存，如果页缓存节点命中，则直接返回文件内容；如果没有对应的页缓存，则会产生一个缺页异常（page fault）。这时系统会创建新的空的页缓存并从磁盘中读取文件内容，更新页缓存，然后重复第4步

5)读取文件返回

所以说，所有的文件内容的读取，无论最初有没有命中页缓存，最终都是直接来源于页缓存。

Linux系统磁盘故障的根本原因在于在业务逻辑中使用了临时文件做缓存，一个临时文件创建后如果在短时间内删除，这时候对这个文件的操作都是在页缓存内进行，不会实际回写到磁盘。当程序出现问题响应变慢时，临时文件存活时间变长，就可能会使其被回写到磁盘上，导致磁盘压力过大，进而影响整个系统。我们搞懂了Linux磁盘缓存机制，此类问题也就迎刃而解了。想要学习更多Linux相关的知识，本站的Linux教程无疑是你最佳的选择，短期帮你快速提升Linux系统的知识水平，锻炼你的实战能力。