1, Buffer cache的作用
為了提高磁盤設備的IO性能，我們采用內存作為磁盤設備的cache。用戶操作磁盤設備的時候，首先將數據寫入內存，然後再將內存中的髒數據定時刷新到磁盤。這個用作磁盤數據緩存的內存就是所謂的buffer cache。在以前的Linux系統中，有很完善的buffer cache軟件層，專門負責磁盤數據的緩存。在磁盤設備的上層往往會架構文件系統，為了提高文件系統的性能，VFS層同樣會提供文件系統級別的page cache。這樣就導致系統中存在兩個cache，並且重疊在一起，顯得沒有必要和冗余。為了解決這個問題，在現有的Linux系統中對buffer cache軟件層進行了弱化，並且和page cache進行了整合。Buffer cache和page cache都采用radix tree進行維護，只有當訪問裸設備的時候才會使用buffer cache，正常走文件系統的IO不會使用buffer cache。
我們知道ext3文件系統的page cache都是以page頁大小為單位的，那麼buffer cache中緩存塊大小究竟是多大呢？其對性能影響如何呢？這兩天我在Linux-2.6.23平台上針對這個問題做了很多實驗，得到了一些數據結果，並從源代碼分析中得到設置緩存塊大小的方法。在此對這個buffer cache的性能問題進行分析說明，供大家討論。
2, Buffer cache的性能問題
2.1 測試實驗
首先讓我們來做一個實驗，在Linux-2.6.23平台上，采用dd工具對一個塊設備進行順序寫操作，可以采用如下的命令格式：
dd if=/dev/zero of=/dev/sda2 bs=<request_size> count=100
采用該命令在不同buffer cache塊（blk_size）大小配置的情況下測試不同請求大小（req_size）的IO性能，可以得到如下表所示的測試數據：
表：不同buffer cache塊大小配置下的吞吐量
將表中的數據做成性能對比圖，如下圖所示：
從圖中可以看出，在請求大小小於Cache塊大小的時候，Cache塊越大，IO性能越高；但是，請求大小大於Cache塊大小之後，性能都有明顯的飛躍。
例如，當buffer cache塊大小被配置成2KB時，小於2KB的塊性能基本都在19MB/s左右；當buffer cache塊大小被配置成512B時，小於512B的寫性能都保持在5MB/s；當buffer cache塊大小被配置成1024B時，小於1KB的寫性能基本都保持在9.5MB/s上下。這就說明對於小於cache塊大小的small_write，buffer cache越大，其性能會越好，反之，性能越差，這就是buffer cache的作用。
觀察發現一旦請求大小大於等於cache塊大小之後，性能急劇提升，由於測試工具的IO壓力足夠大，能夠一下子將磁盤性能耗盡。這是為什麼呢？其實，當請求塊比較小時，對於cache塊而言是“局部操作”，這種“局部操作”會引入buffer cache的數據讀操作，並且數據讀操作和用戶寫操作存在順序關系，這就極大的影響了IO的寫性能。因此，當請求大小大於cache塊時，並且能夠和Cache塊對齊時，就能夠充分利用磁盤的IO帶寬，所以就產生了上圖中所示的性能飛躍。
看到上圖中的測試結果之後，我們就會想在實際應用中，我們該如何選擇buffer cache的塊大小？如果請求大小是512B時，顯然將buffer cache塊設置成512比較合適；如果請求大小是256B時，顯然將buffer cache塊設置成2KB比較合適。所以，個人認為塊大小的設置還需要根據實際的應用來決定，不同的應用需要設置不同的塊大小，這樣才能使整體性能達到最佳。
2.2 Buffer cache塊大小
Linux系統在創建塊設備的時候是如何設置塊大小的呢？這裡面涉及到Linux針對塊大小設置的一個小小算法。在此結合源碼對Linux的這個方法加以說明。
總體來說，Linux決定buffer cache塊大小采用的是“最大塊大小”的設計思想。Linux根據塊設備容量決定buffer cache的塊大小，並且將值域限定在512B和4KB之間。當然，這個值域內的元素不是連續的，並且都是2的冪。在這個值域的基礎上取塊設備大小的最大公約數，這個值就是buffer cache的塊大小。這種算法的指導思想就是buffer cache的塊越大越好，因此，能夠取2KB就不會選擇512B。Linux中算法實現代碼如下所示：
void bd_set_size(struct block_device *bdev, loff_t size)
{
unsigned bsize = bdev_logical_block_size(bdev);
bdev->bd_inode->i_size = size; //size為塊設備大小
while (bsize < PAGE_CACHE_SIZE) { //bsize不能大於Page size
if (size & bsize)
break;
bsize <<= 1; //bsize只能取2的冪
}
bdev->bd_block_size = bsize;
/* 設置buffer cache塊大小 */
bdev->bd_inode->i_blkbits = blksize_bits(bsize);
}
3, 小結
本文對buffer cache的性能問題進行了分析，通過實驗發現當請求塊比較小時，buffer cache塊大小對IO性能有很大的影響。Linux根據塊設備的容量采用“最大cache塊”的思想決定buffer cache的塊大小。在實際應用中，我們應該根據應用特征，通過實際測試來決定buffer cache塊大小。