Linux的预读

Linux的预读架构如图所示，Linux内核会将它最近访问过的文件页面缓存在内存中一段时间，这个文件缓存被称为pagecache。如图1所示。一般的read()操作发生在应用程序提供的缓冲区与pagecache之间。而预读算法则负责填充这个pagecache。应用程序的读缓存一般都比较小，比如文件拷贝命令cp的读写粒度就是4KB；内核的预读算法则会以它认为更合适的大小进行预读 I/O，比如16-128KB。

 

 

图1 以pagecache为中心的读和预读

我们分析如下情况，用户程序调用read函数对设备进行读操作，文件系统会调用相应的方法：generic_file_aio_read() -->do_generic_file_read()，在do_generic_file_read()函数中，使用find_get_page()从cache中查找该page。如果没有找到，则调用page_cache_sync_readahead进行适当的预读，预读之后一般page就可以找到了。

页面标志位：PG_readahead，它是“请作异步预读”的一个提示。在每次进行新预读时，算法都会选择其中的一个新页面并标记之。预读规则为：

◆当读到缺失页面(missing page)，进行同步预读；

◆当读到预读页面(PG_readahead page)，进行异步预读；

◆在读取方向上剩余页数为async_size时，进行异步预读。

 

我们来看以下例子：

 

当进程打开一个文件，想要读取第一页，而该页不在缓存中，这时内核采用同步预读page_cache_sync_readahead()读取了若干页（图中为4页），并将预读窗口中的第二页标记为PG_readahead。

进程现在继续读取接下来的各页，当读取到有PG_readahead标志的第二页时，内核触发一个异步预读操作page_cache_async_readahead()，在后台读取若干页。因为这时候缓存中还有两页可用，不必匆忙读取，所以不需要一个同步预读操作。

现在将重复这种做法。由于异步预读又将预读窗口中的一页标记为PG_readahead，在进程遇到该页时，又进行一次异步预读，以此类推。

以上说到预读若干页，那么预读窗口的最优长度到底是几页呢？预读粒度太小的话，达不到应有的性能提升效果；预读太多，又有可能载入太多程序不需要的页面，造成资源浪费。为此，Linux内核设置了一个file_ra_state数据结构，关联到每个file实例，记录每个文件的预读状态。

 

struct file_ra_state{

pgoff_tstart;                        /*预读的起始位置 */

unsigned intsize;                /*预读的页数，即预读窗口长度 */

unsigned intasync_size;        /* 阈值，在读取方向上剩余页数为该值时，启动异步预读*/

 

unsigned intra_pages;                /*预读窗口最大长度 */

intmmap_miss;                        /*Cache miss stat for mmap accesses */

loff_tprev_pos;                /*前一次读取时，最后的访问位置*/

};

用于实现预读的函数之间的关联如下图所示：

 

ondemand_readahead()函数在确定预读窗口长度之后，调用ra_submit()，ra_submit()是对函数__do_page_cache_readahead()的封装，于是预读的技术性问题是由后者完成的。

get_init_ra_size()和get_next_ra_size()是辅助ondemand_readahead()判断需要读入多少当前不需要的页的辅助函数。其中get_init_ra_size()根据进程请求的页数为一个文件确定最初的预读窗口长度，而get_next_ra_size()为后来的读取计算长度，即此时已经有一个先前的预读窗口存在，函数根据前一个预读窗口长度计算新的预读窗口长度。两个函数都会确保预读窗口长度不超过特定于文件的上限值。该上限值通常设置为VM_MAX_READAHEAD * 1024 /PAGE_CACHE_SIZE，在页长度为4K的系统上，相当于32页。两个函数的结果如下图所示：

 

 

不难看出，初始值一般是最近的2的整数幂的值，而新的窗口长度是原长度的两倍。

 

何时构建一个新的预读窗口？何时是顺序读取？ondemand_readahead()函数进行如下判断：

（1）当前偏移量在前一个预读窗口末尾，或在触发阈值的点上时，内核识别为顺序读取，使用get_next_ra_size()为后来的读取计算长度；

（2）若是随机读，则直接调用__do_page_cache_readahead()进行读取，而不破坏当前的预读状态；

（3）若是遇到预读标志，则使用get_next_ra_size()来计算新的预读窗口长度；

（4）如果以上情况都不是，内核则判定为对文件的第一次读取，这时用get_init_ra_size()建立一个新的预读窗口。