[IO系统]10缓存写回机制

Linux IO系统的脏页写入的到磁盘，主要由以下情况来触发：

1. 内存不足或内存空间紧张，需要通过回写脏页来回收内存；

2. 脏页已经更新了较长时间，时间上已经到了临界值，需要及时回写保持内存和磁盘上数据一致性；

3. 第三方英语或命令主动触发脏页回刷到磁盘；

4. write操作时balance回写要求。

1.1脏页太多，强制回刷

当linux系统内存压力就大时，就会对系统的每个压力大的zone进程内存回收，内存回收主要是针对匿名页和文件页进行的。

在page cache创建过程，经常使用free_more_memory函数调用wakeup_flusher_threads来唤醒回写线程进行内存回收。

/*
 * Kick thewriteback threads then try to free up some ZONE_NORMAL memory.
 */
static void free_more_memory(void)
{
    structzone *zone;
    int nid;
    /* 启动回刷线程，要求至少回收1024个page，回收原因 Freemore memory */
    wakeup_flusher_threads(1024,WB_REASON_FREE_MORE_MEM);
    yield();
     /* 遍历node，尝试通过直接回收page来达到要求 */
    for_each_online_node(nid){
        (void)first_zones_zonelist(node_zonelist(nid,GFP_NOFS),
                        gfp_zone(GFP_NOFS),NULL,
                        &zone);
        if(zone)
            try_to_free_pages(node_zonelist(nid,GFP_NOFS), 0,
                        GFP_NOFS,NULL);
    }
}

1.2定时回写

内核在启动的时候会进行页回写机制初始化：start_kernel-> page_writeback_init，在page_writeback_init初始化dom->period_timer定时器：

void __init page_writeback_init(void)
{
    BUG_ON(wb_domain_init(&global_wb_domain,GFP_KERNEL));
 
    writeback_set_ratelimit();
    register_cpu_notifier(&ratelimit_nb);
}

超时时间是dirty_writeback_centisecs，单位是0.01秒，可以通过/proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs调节。wb_timer的触发函数是wb_timer_fn，最终是通过wb_workfn实现。

1.3主动触发回写

外界触发式，主要是调用sync等函数，来触发实现。参考文档《linux 同步IO: sync、fsync与fdatasync》

主要调用

static int __sync_filesystem(struct super_block*sb, int wait)
{
    if (wait)
        sync_inodes_sb(sb);
    else
        writeback_inodes_sb(sb,WB_REASON_SYNC); /* writeback回写机制 */
 
    if(sb->s_op->sync_fs)
        sb->s_op->sync_fs(sb,wait);
    return__sync_blockdev(sb->s_bdev, wait);
}

1.4读写状态检查触发回写

用户态使用WRITE函数写文件时也有可能要刷新脏页，generic_perform_write函数会在将写的内存页标记为脏之后，根据条件刷新磁盘以平衡当前脏页比率，参看balance_dirty_pages_ratelimited函数。

balance_dirty_pages_ratelimited函数通过ratelimit_pages调节刷新（调用balance_dirty_pages函数）的次数，每ratelimit_pages次调用才会刷新一次，具体刷新过程看balance_dirty_pages函数。

balance_dirty_page函数走进一个死循环，通过get_dirty_limits获取dirty_background_ratio和dirty_ratio对应的内存页数值，判断，如果脏页大于dirty_thresh，则调用writeback_inodes开始刷缓存到磁盘，如果一次没有将脏页比率刷到dirty_ratio之下，则用blk_congestion_wait阻塞写，然后反复循环，直到比率降低到dirty_ratio；当比率低于dirty_ratio之后，但脏页比率大于dirty_background_ratio，则用pdflush_operation启用background_writeout，pdflush_operation是非阻塞函数，唤醒pdflush后直接返回，background_writeout在有pdflush调用。

如此可知：WRITE写的时候，缓存超过dirty_ratio，则会阻塞写操作，回刷脏页，直到缓存低于dirty_ratio；如果缓存高于background_writeout，则会在写操作时，唤醒回写进程刷脏页，不阻塞写操作。