当你第一次打开一个10MB大小的PPT文件时，可能需要等待5秒钟，然而，第二次再打开同一个文件时几乎秒开，这是为什么呢？

当你复制粘贴一个大文件时，进度条在开始时进展缓慢，但到了后半段突然加速。这又是为什么？

操作系统是如何做到“越用越快”，“越用约顺手”的呢？实际上，这一切都归功于计算机中的一项关键技术——PageCache。

存储介质的性能鸿沟

计算机系统中，不同存储设备的速度差异巨大。机械硬盘与内存的读写速度能有百倍的差距（这里引用的数据相对较远，比较新的没找到）：

这种差距意味着，直接从磁盘读取数据会极大地影响系统的响应速度和用户体验，为了弥补这一鸿沟，操作系统引入了PageCache机制：

道理和CPU和内存之间增加L1、L2、L3 cache一样，只不过L1、L2、L3 cache实现在硬件层面——CPU中，而pagecache实现在软件层面——操作系统中。

什么是PageCache？

PageCache由物理内存中的页面组成，这些页面的内容对应于磁盘上的物理块：

物理内存中的页面当然主要用来装入运行的进程，剩下的空闲内存用来当做PageCache：

因此pagecache的大小是动态的，它可以增长以占用任何空闲内存：

也可以缩小以缓解内存压力：

文件读取

当一个进程发起read 系统调用时，内核会首先检查所需的数据是否在页面缓存中。如果在缓存中，内核可以跳过访问磁盘，直接从内存中读取数据，这称为缓存命中（cache hit）:

如果数据不在pagecache中，称为缓存未命中（cache miss），此时内核必须发起磁盘I/O 操作，从磁盘读取数据。数据从磁盘读取后，内核将数据填充到页面缓存中，以便任何后续的读取操作都能直接从缓存中进行。

并不是整个文件都需要被缓存，页面缓存可以将A文件完整缓存，而只缓存B文件的一个或两个页面，缓存什么取决于被访问的内容，假设某个文件有4页，但经常被使用的是第1号页，那么pagecache中可能就只有这一页：

这解释了为什么第一次打开一个10MB大小的PPT文件时，可能需要等待5秒钟，然而，第二次再打开同一个文件时几乎秒开，因为第一次打开PPT后整体PPT是通过磁盘IO加载到内存的，而第二次访问PPT将命中pagecache，如果全部命令那么这将会纯内存操作，当然能做到秒开。

文件写

当一个进程通过write系统调用写入磁盘时，会发生什么呢？

操作系统通常采用write-through策略，内核将进程的写操作直接写入pagecache而不会立刻同步更新磁盘，因此在这种策略下文件写也是纯内存操作，速度非常快，进程不会被阻塞：

复制粘贴大文件时数据需从磁盘先加载到PageCache，受限于磁盘顺序读取速度进度条增长缓慢，此时复制速度取决于磁盘读取性能。当文件数据已完全加载到 PageCache 后，后续读取直接从内存完成。

写数据时数据会暂存于内存，进度条反映的是写入PageCache的完成度，而非实际落盘进度，此时写速度从磁盘 I/O 提升到内存访问速度，进度条会突然加速。

待更新到磁盘的页会被内核标记，然后内核周期性地将这些页面异步写回磁盘，将内存中的缓存与磁盘的数据进行同步：

当然，除了基本的读写流程外，PageCache还包含了一些关键机制来进一步优化性能。例如，预读（Read-ahead）技术能够预测性地加载后续的数据块，使得顺序读取大文件时效率更高。此外，为了管理有限的内存资源，PageCache采用了LRU（最近最少使用）算法来进行缓存替换决策。

PageCache带来了显著的性能优势，尤其是在重复访问同一文件或顺序读取大文件时表现尤为突出。比如在编译代码、频繁读取配置文件、视频编辑及处理数据库日志等场景下，PageCache都能发挥重要作用。

实验验证

接下来在一台Linux机器上验证一下pagecache，首先创建一个大小为1G、内容为随机数的文件：

dd if=/dev/urandom of=testfile bs=1M count=1024

然后清空系统中所有的pagecache，可以使用这个命令：

sync && echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

接着我们读取一下刚创建的这个文件，并统计完全读取整个文件需要的时间，由于在读取文件之前清空了所有pagecache，因此读取testfile文件时将触发磁盘IO：

$ time cat testfile > /dev/null
real    0m6.176s
user    0m0.028s
sys     0m0.731s

这里输出的含义是：

• real (实际时间): 总共经过的时间，包括所有等待时间（如I/O等待）。

• ouser (用户CPU时间): 程序在用户模式下执行所花费的时间。

• sys (系统CPU时间): 程序在内核模式下执行所花费的时间。

可以看到，读取这1个G的文件总耗时达到了6.1s左右，因为这涉及磁盘IO，因此读取速度缓慢，读完后这个文件将被放到pagecache，接着我们再读一次：

$ time cat testfile > /dev/null 
real    0m0.309s
user    0m0.011s
sys     0m0.298s

可以看到，这次读取文件只用了0.3s，相差了接近20倍，就是因为第二次读取几乎是纯内存操作。

现在你应该明白pagecache的作用了吧。

作者：岛主小风哥

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：码农的荒岛求生

编辑：小咕咕