Linux运用一个功能广泛的缓冲和缓存框架来提高系统的速度。缓冲和缓存利用一部分系统物理内存，确保最重要、最常使用的块设备数据在操作时可直接从主内存获取，而无需从低速设备读取。物理内存还用于存储从快设备读取的数据，使得随后对该数据的访问可直接在物理内存进行，而无需从外部设备再次取用。考虑系统中多种因素然后延迟写回在总体上改进了系统的性能。前面分析的部分，例如内存管理的slab缓存是一个内存到内存的缓存，其目地不是加速对低速设备的操作，而是对现有资源进行更简单、更高效的使用。文件系统的Dentry缓存也用于减少对低速块设备的访问，但他无法推广到通用场合，因为他是专门用于处理单一数据类型的。
内核为块设备提供了两种通用的缓存方案：
1）页缓存，针对以页为单位的所有操作，并考虑了特定体系结构上的页长度。一个主要的例子是内存映射技术。因为其他类型的文件访问也是基于内核中的这一技术实现的。所以页缓存实际上负责了块设备的大部分缓存工作。
2）块缓存，以块为操作单位。在进行I/O操作时，存取的单位是设备的各个块，而不是整个内存页。尽管页长度对所有文件系统都是相同的，但块长度取决于特定的文件系统或其设置。因而，块缓存必须能够处理不同长度的块。
目前用于块传输的标准数据结构已经演变为struct bio。用这种方式进行块传输更为高效，因为他可以合并同一请求中后续的块，加速处理的进行。在许多场合下，页缓存和块缓存是联合使用的。例如，一个缓存的页在写操作期间可以划分为不同的缓冲区，这样可以在更细的力度下，识别出页被修改的部分。好处在于，在将数据写回时，只需要回写被修改的部分，无需将这个页面传输回底层的块设备。
页面缓存结构
[cpp]
/*高速缓存的核心数据结构，对块设备的读写操作都放在该结构体里*/
struct address_space {
/*与地址空间所管理的区域之间的关联数据结构之一
inode结构指定了后备存储器*/
struct inode*host; /* owner: inode, block_device */
/*与地址空间所管理的区域之间的关联之二
，page_tree列出了地址空间中所有的物理内存页*/
struct radix_tree_root page_tree; /* radix tree of all pages */
spinlock_t tree_lock; /* and lock protecting it */
/*所有用VM_SHARED属性创建的映射*/
unsigned inti_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings */
/*基数根节点，该树包含了与该inode相关的所有
普通内存映射。该树的任务在于，支持查找包含了
给定区间中至少一页的所有内存区域*/
struct prio_tree_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */
/*包含所有在非线性映射中的页*/
struct list_headi_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings */
spinlock_t i_mmap_lock;/* protect tree, count, list */
unsigned inttruncate_count; /* Cover race condition with truncate */
/*缓存页的总数*/
unsigned long nrpages;/* number of total pages */
pgoff_t writeback_index;/* writeback starts here */
const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */
/*集主要用于保存映射页所来自的GFP内存区
的有关信息*/
unsigned long flags; /* error bits/gfp mask */
/*指向后备存储器结构，该结构包含了与地址空间相关的
后备存储器的有关信息，后备存储器是指与地址空间相关
的外部设备，用做地址空间中信息的来源。他通常是块设备
*/
struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead, etc */
spinlock_t private_lock; /* for use by the address_space */
/*用于将包含文件系统元数据(通常是间接块)的buffer_head
实例彼此连接起来*/
struct list_headprivate_list; /* ditto */
/*指向相关的地址空间的指针*/
struct address_space*assoc_mapping; /* ditto */
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));
后备存储信息
[cpp]
struct backing_dev_info {
struct list_head bdi_list;
struct rcu_head rcu_head;
/*最大预读数量，单位为PAGE_CACHE_SIZE*/
unsigned long ra_pages; /* max readahead in PAGE_CACHE_SIZE units */
/*对该成员，总是使用原子操作，指定了后备存储器的状态*/
unsigned long state;/* Always use atomic bitops on this */
/*设备能力*/
unsigned int capabilities; /* Device capabilities */
congested_fn *congested_fn; /* Function pointer if device is md/dm */
void *congested_data; /* Pointer to aux data for congested func */
void (*unplug_io_fn)(struct backing_dev_info *, struct page *);
void *unplug_io_data;
char *name;
struct percpu_counter bdi_stat[NR_BDI_STAT_ITEMS];
struct prop_local_percpu completions;
int dirty_exceeded;
unsigned int min_ratio;
unsigned int max_ratio, max_prop_frac;
struct bdi_writeback wb; /* default writeback info for this bdi */
spinlock_t wb_lock; /* protects update side of wb_list */
struct list_head wb_list; /* the flusher threads hanging off this bdi */
unsigned long wb_mask;/* bitmask of registered tasks */
unsigned int wb_cnt; /* number of registered tasks */
struct list_head work_list;
struct device *dev;
#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
struct dentry *debug_dir;
struct dentry *debug_stats;
#endif
};
内核采用一种通用的地址空间方案，来建立缓存数据与其来源之间的关联。
1）内存中的页分配到每个地址空间。这些页的内容可以由用户进程或内核本身使用各式各样的方法操作。这些数据表示了缓存中的内容；
2）后备存储器struct backing_dev_info指定了填充地址空间中页的数据的来源。地址空间关联到处理器的虚拟地址空间，是由处理器在虚拟内存中管理的一个区域到设备device上对应位置之间的一个映射。
如果访问了虚拟内存中的某个位置，该位置没有关联到物理内存页，内核可根据地址空间结构来找到读取数据的来源。
为支持数据传输，每个地址空间都提供了一组操作，以容许地址空间所涉及双方面的交互。
地址空间是内核中最关键的数据结构之一，对该数据结构的管理，已经演变为内核面对的最关键的问题之一。 页缓存的任务在于，获得一些物理内存页，以加速在块设备上按页为单位执行的操作。
内核使用了基数树来管理与一个地址空间相关的所有页，以便尽可能降低开销。对于基数树的理解在这里就不分析了，后面有空的时候再做分析。
地址空间操作
[cpp]
struct address_space_operations {
/*将地址空间的一页或多页写回到底层设备
这是通过向块层发出一个相应的请求来完成的*/
int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
/*从后备存储器将一页或多个连续的页读入页帧*/
int (*readpage)(struct file *, struct page *);
/*对尚未回写到后备存储器的数据进行同步*/
void (*sync_page)(struct page *);
/* Write back some dirty pages from this mapping. */
int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
/* Set a page dirty. Return true if this dirtied it */
int (*set_page_dirty)(struct page *page);
int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
/*执行由write系统调用触发的写操作*/
int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
struct page **pagep, void **fsdata);
int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
struct page *page, void *fsdata);
/* Unfortunately this kludge is needed for FIBMAP. Don't use it */
sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
void (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
int (*releasepage) (struct page *, gfp_t);
ssize_t (*direct_IO)(int, struct kiocb *, const struct iovec *iov,
loff_t offset, unsigned long nr_segs);
int (*get_xip_mem)(struct address_space *, pgoff_t, int,
void **, unsigned long *);
/* migrate the contents of a page to the specified target */
int (*migratepage) (struct address_space *,
struct page *, struct page *);
int (*launder_page) (struct page *);
int (*is_partially_uptodate) (struct page *, read_descriptor_t *,
unsigned long);
int (*error_remove_page)(struct address_space *, struct page *);
};
页面缓存的实现基于基数树，缓存属于内核中性能要求最苛刻的部分之一，而且广泛用于内核的所有子系统，实现也比较简单。举两个例子，其他的暂时不做分析了。
分配页面用于加入地址空间
[cpp]
/*从伙伴系统中分配页面，页面的标志根据地址空间中的标志进行设置*/
static inline struct page *page_cache_alloc(struct address_space *x)
{
return __page_cache_alloc(mapping_gfp_mask(x));
}
分配完了添加到基数树中
[cpp]
/*
* Like add_to_page_cache_locked, but used to add newly allocated pages:
* the page is new, so we can just run __set_page_locked() against it.
*/
static inline int add_to_page_cache(struct page *page,
struct address_space *mapping, pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
int error;
__set_page_locked(page);
/*实际的添加工作*/
error = add_to_page_cache_locked(page, mapping, offset, gfp_mask);
if (unlikely(error))
__clear_page_locked(page);
return error;
}
[cpp]
/**
* add_to_page_cache_locked - add a locked page to the pagecache
* @page: page to add
* @mapping:the page's address_space
* @offset: page index
* @gfp_mask: page allocation mode
*
* This function is used to add a page to the pagecache. It must be locked.
* This function does not add the page to the LRU. The caller must do that.
*/
int add_to_page_cache_locked(struct page *page, struct address_space *mapping,
pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
int error;
VM_BUG_ON(!PageLocked(page));
error = mem_cgroup_cache_charge(page, current->mm,
gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK);
if (error)
goto out;
/*树的相关结构申请*/
error = radix_tree_preload(gfp_mask & ~__GFP_HIGHMEM);
if (error == 0) {
page_cache_get(page);/*使用计数加一*/
page->mapping = mapping;
page->index = offset;
spin_lock_irq(&mapping->tree_lock);
/*实际的插入操作*/
error = radix_tree_insert(&mapping->page_tree, offset, page);
if (likely(!error)) {
mapping->nrpages++;
__inc_zone_page_state(page, NR_FILE_PAGES);
if (PageSwapBacked(page))
__inc_zone_page_state(page, NR_SHMEM);
spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
} else {
page->mapping = NULL;
spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);
page_cache_release(page);
}
radix_tree_preload_end();
} else
mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);
out:
return error;
}