页高速缓存和页回写

由于页高速缓存的缓存作用，写操作实际上会被延迟。当页高速缓存中的数据比后台存储的数据更新时，那么该数据就被称为脏数据。在内存中积累起来的页最终必须被写回磁盘。在以下两种情况发生时，脏页被写回磁盘：

1. 当空闲的内存低于一个特定的阈值时，内核必须将脏页写回磁盘，以便释放内存。

2. 当脏页在内存中驻留时间超过一个特定的阈值时，内核必须将超时的脏页写回磁盘，以确保脏页不会无限期地驻留在内存。

   在老内核中，这是由两个独立的内核线程分别完成。但是在2.6版本中，由一组内核线程统一执行这两种工作---pdflush后回写线程。这两个目标是如何实现的？

   首先，pdflush线程在系统中的空闲内存低于一个阈值时，将脏页刷新回磁盘。该后台回写例程的目的在于在可用物理内存过低时，释放脏页以重新获得内 存。特定的内存与之可以通过dirty_background_ratio sysctl系统调用设置（看kernel/Sysctl.c）。

  

1. 在mm/Page_writeback.c中
3. /* Start background writeback (via pdflush) at this percentage
4.  */
5. int dirty_background_ratio = 10;

   当空闲内存比阈值dirty_background_ratio还低时，内核便会调用函数wakeup_bdflush()唤醒一个pdflush线程，随后pdflush线程进一步调用函数background_writeout()开始将脏页写回磁盘。该函数的参数指定试图写回的页面数目，该函数会连续的写出数据，直到满足一下两个条件：

1. 已经有指定的最小数据的页被写出到磁盘

2. 空闲内存数已经回升，超过阈值dirty_background_ratio

1. 在mm/Page-writeback.c中
2. /*
3.  * writeback at least _min_pages, and keep writing until the amount of dirty
4.  * memory is less than the background threshold, or until we're all clean.
5.  */
6. static void background_writeout(unsigned long _min_pages)
7. {
8.     long min_pages = _min_pages;
9.     struct writeback_control wbc = {
10.         .bdi        = NULL,
11.         .sync_mode  = WB_SYNC_NONE,
12.         .older_than_this = NULL,
13.         .nr_to_write    = 0,
14.         .nonblocking    = 1,
15.         .range_cyclic   = 1,
16.     };
18.     for ( ; ; ) {
19.         long background_thresh;
20.         long dirty_thresh;
22.         get_dirty_limits(&background_thresh, &dirty_thresh, NULL);
23.         if (global_page_state(NR_FILE_DIRTY) +
24.             global_page_state(NR_UNSTABLE_NFS) < background_thresh
25.                 && min_pages <= 0)
26.             break;
27.         wbc.encountered_congestion = 0;
28.         wbc.nr_to_write = MAX_WRITEBACK_PAGES;
29.         wbc.pages_skipped = 0;
30.         writeback_inodes(&wbc);
31.         min_pages -= MAX_WRITEBACK_PAGES - wbc.nr_to_write;
32.         if (wbc.nr_to_write > 0 || wbc.pages_skipped > 0) {
33.             /* Wrote less than expected */
34.             congestion_wait(WRITE, HZ/10);
35.             if (!wbc.encountered_congestion)
36.                 break;
37.         }
38.     }
39. }

   pdflush后台例程会被周期唤醒，将那些在内存中驻留时间过长的脏页写出，确保内存中不会有长期存在的脏页。如果系统发生崩溃，由于内存处于混乱中，所以那些在内存中还没来得及写回磁盘的脏页就会丢失，所以周期性同步页高速缓存和磁盘非常重要。

  在系统启动时，内核初始化一个定时器，让它周期地唤醒pdflush线程，随后使其运行函数wb_kupdate()。该函数将把所有驻留时间超过百分之 dirty_expire_centisecs秒的脏页写回。然后定时器将再次被初始化为百分之dirty_expire_centisecs秒后唤醒 pdflush线程。

1. 在mm/Page-writeback.c中
3. /*
4.  * Periodic writeback of "old" data.
5.  *
6.  * Define "old": the first time one of an inode's pages is dirtied, we mark the
7.  * dirtying-time in the inode's address_space.  So this periodic writeback code
8.  * just walks the superblock inode list, writing back any inodes which are
9.  * older than a specific point in time.
10.  *
11.  * Try to run once per dirty_writeback_interval.  But if a writeback event
12.  * takes longer than a dirty_writeback_interval interval, then leave a
13.  * one-second gap.
14.  *
15.  * older_than_this takes precedence over nr_to_write.  So we'll only write back
16.  * all dirty pages if they are all attached to "old" mappings.
17.  */
18. static void wb_kupdate(unsigned long arg)
19. {
20.     unsigned long oldest_jif;
21.     unsigned long start_jif;
22.     unsigned long next_jif;
23.     long nr_to_write;
24.     struct writeback_control wbc = {
25.         .bdi        = NULL,
26.         .sync_mode  = WB_SYNC_NONE,
27.         .older_than_this = &oldest_jif,
28.         .nr_to_write    = 0,
29.         .nonblocking    = 1,
30.         .for_kupdate    = 1,
31.         .range_cyclic   = 1,
32.     };
34.     sync_supers();
36.     oldest_jif = jiffies - dirty_expire_interval;
37.     start_jif = jiffies;
38.     next_jif = start_jif + dirty_writeback_interval;
39.     nr_to_write = global_page_state(NR_FILE_DIRTY) +
40.             global_page_state(NR_UNSTABLE_NFS) +
41.             (inodes_stat.nr_inodes - inodes_stat.nr_unused);
42.     while (nr_to_write > 0) {
43.         wbc.encountered_congestion = 0;
44.         wbc.nr_to_write = MAX_WRITEBACK_PAGES;
45.         writeback_inodes(&wbc);
46.         if (wbc.nr_to_write > 0) {
47.             if (wbc.encountered_congestion)
48.                 congestion_wait(WRITE, HZ/10);
49.             else
50.                 break;  /* All the old data is written */
51.         }
52.         nr_to_write -= MAX_WRITEBACK_PAGES - wbc.nr_to_write;
53.     }
54.     if (time_before(next_jif, jiffies + HZ))
55.         next_jif = jiffies + HZ;
56.     if (dirty_writeback_interval)
57.         mod_timer(&wb_timer, next_jif);
58. }

   总而言之，pdflush线程周期地被唤醒并把超过特定期限的脏页写回磁盘。

   系统管理员可以在/proc/sys/vm中设置回写的相关参数，也可以通过sysctl系统调用设置它们。

  pdflush线程的实现代码在文件mm/pdflush.c中，回写机制的实现代码在文件mm/page-writeback.c和fs-writeback.c中。

 pdflush设置

变量	描述
dirty_expire_centisecs	该数值以百分之一秒为单位，它描述超时多久的数据将被周期性执行的pdflush线程写出
dirty_ratio	占全部内存百分比，当一个进程产生的脏页达到这个比例时，就开始被写出
dirty_writeback_centisecs	该数值以百分之一秒为单位，它描述pdflush线程的运行频率
laptop_mode	一个布尔值，用于控制膝上型电脑模式
dirty_background_ratio	占全部内存的百分比。当内存中空闲页到达这个比例时，pdflush线程开始回写脏页

 

• 膝上型电脑模式

  膝上型电脑模式是一种特殊的页回写策略，该策略主要意图是将硬盘转动的机械行为最小化，允许硬盘尽可能长时间的停滞，以此延长电池供电时间。该模式可通过 /proc/sys/vm/laptop_mode文件进行配置。通常，该配置文件内容为0，即膝上型电脑模式关闭，写1则启用该模式。

  该模式的页写回行为与传统方式相比只有一处变化。除了当缓存中的页面太旧要执行回写脏页以外，pdflush还好找准磁盘运转的实际，把所有其他的物理磁盘IO、刷新脏换成等统统写回磁盘，以便保证不会专门为了写磁盘而去主动激活磁盘运行。

   所述Linux发布版会在电脑接上或拔下电池时，自动开启或禁止膝上型电脑模式及其需要的pdflush可调节开关。因此机器可在使用电池电源时自动进入膝上型电脑模式，而在插上交流电源时恢复到常规的页回写模式。

• 避免拥塞的方法：使用多线程

  因为磁盘的吞吐量有限，如果只有惟一线程执行回写操作，那么这个线程很容易等待对一个磁盘上的操作。为了避免出现这样的情况，内核需要多个回写线程并发执行，这样单个设备队列的拥塞就不会称为系统的瓶颈了。

   2.6内核使用多个pdflush线程，每个线程可以相互独立地将脏页刷新回磁盘，而且不同的pdflush线程处理不同的设备队列。线程的数目可以根据 系统的运行时间进行调整。pdflush线程数量取决于页回写的数量和拥塞情况，动态调整。如果所有存在的pdflush线程都忙着写回数据，那么一个新 线程就会被创建，确保不会出现一个设备队列处于拥塞状态，而其他设备队列却在等待---不是接收--回写数据的情况。如果堵塞，pdflush线程的数量 便会自动减少，以便节约内存。

   为了避免每一pdflush线程都挂起在同一个堵塞的队列上，pdflush线程利用了拥塞避免策略，它们会积极的试图写回那些不属于拥塞队列的页面。这样一来，pdflush线程通过分派回写工作，阻止多个线程在同一个忙设备上纠缠。