页缓存、写回与块 I/O

1. address_space

inode 的 i_mapping 连接文件 offset 与 page-cache folio。核心：

• i_pages：XArray；
• a_ops：文件系统 I/O 回调；
• host：inode；
• writeback/error 状态。

页缓存核心实现主要在 mm/filemap.c，fs/ 提供文件系统和 writeback 对接。

2. Buffered read

read_iter
 -> filemap_read()
 -> lookup folio in mapping
 -> hit: copy to iov_iter
 -> miss: readahead / a_ops->read_folio
 -> wait folio uptodate

readahead 根据顺序访问动态扩大窗口。随机负载过大预读会浪费 I/O 和 cache。

3. Buffered write

generic_file_write_iter
 -> generic_perform_write
 -> a_ops->write_begin
 -> copy from user
 -> a_ops->write_end
 -> folio_mark_dirty

write 返回通常只表示数据进入页缓存。脏页由 balance_dirty_pages 限流，并由 writeback worker 或 fsync 下发。

4. fs-writeback.c

writeback 以 backing_dev_info / writeback domain 组织：

• 周期写回；
• 超过 dirty threshold；
• 内存回收；
• fsync/sync；
• filesystem sync/freeze。

writeback_single_inode() 协调 inode state 和 address_space_operations->writepages。inode dirty 类型区分数据、元数据、时间戳等。

5. Buffer head

buffer.c 的 buffer_head 表示 page 中一段块及状态，提供：

• buffer cache helpers；
• submit_bh()；
• block mapping；
• metadata I/O；
• sync_mapping_buffers()。

它是传统接口，ext4 等仍大量用于 metadata；新文件系统数据路径更多使用 iomap/bio/folio。

6. Mpage

mpage.c 为简单 block mapping 文件系统聚合连续块 I/O，减少逐 buffer 提交。复杂 extent、压缩、CoW 文件系统通常有自己的路径。

7. 错误传播

异步 writeback error 记录在 mapping errseq。后续 fsync 和某些 write 路径通过 file_check_and_advance_wb_err() 向每个 file 报告，避免错误静默丢失。

应用必须检查 write、fsync 和 close（部分错误）返回值。

8. 回收关系

clean file folio 可直接丢弃；dirty folio 需写回；正在 writeback 的 folio可能造成 reclaim stall。内存、存储延迟和脏页阈值相互影响：

slow device -> writeback backlog -> dirty throttling
 -> application latency -> reclaim pressure

9. 观测

cat /proc/meminfo | grep -E 'Cached|Dirty|Writeback'
cat /proc/vmstat | grep -E 'dirty|writeback|pgpg'
cat /proc/pressure/io
cat /proc/diskstats

调整 dirty 参数前应先确定设备写延迟和 filesystem journal 状态。