操作系統(tǒng)頁面緩存優(yōu)化技術研究.pdf

1、隨著二級存儲設備與主存在傳輸速度上的差距不斷擴大，磁箍I/O逐漸成為影響計算機系統(tǒng)性能的主要因素，甚至是限制系統(tǒng)平均性能的瓶頸。作為操作系統(tǒng)中磁盤緩存的最主要形式，頁面緩存(Page-Cache)機制與文件讀寫執(zhí)行流程有非常緊密的聯(lián)系，直接影響著磁盤I/O性能。頁面緩存管理是操作系統(tǒng)虛存管理子系統(tǒng)的重要組成部分。 本文以改進磁盤I/O平均性能為目標，以實際系統(tǒng)中出現(xiàn)的一系列I/O問題為著手點，針對操作系統(tǒng)頁面緩存提出相應的優(yōu)化技

2、術，并在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中進行了原型實現(xiàn)與實驗評價。由于磁盤I/O對服務器系統(tǒng)的影響尤其顯著，本文特別針對網(wǎng)絡服務器應用對這些優(yōu)化技術進行了實驗測試與分析。 操作系統(tǒng)中頁面緩存有三個基本的管理與優(yōu)化問題：替換，預讀，寫回。針對這三個基本問題，本文進行了如下三個方面的研究工作： 1.改進的頁面替換當系統(tǒng)進行大量的文件讀寫后，頁面緩存空間的過度擴張會導致進程交換現(xiàn)象發(fā)生，急劇降低系統(tǒng)中關鍵應用程序的執(zhí)行速度。本文設計并

3、實現(xiàn)了交換行為的有效控制接口，保證進程映射頁面在未超過預定比例的情況下，不會被換出到磁盤的交換區(qū)中。 在觀察到文件大小屬性對重復訪問可能性影響的基礎上，本文進一步提出“抵制大文件的頁面LRU排序”技術來改進頁面替換管理，目的是避免大文件占掘大部分緩存頁面而把更有可能被重復訪問的小文件換出。簡單的模擬實驗和嚴格的web server負載測試都證明該技術對于系統(tǒng)I/O穩(wěn)定性具有積極意義。 2.前攝的文件預讀頻繁的緩存不命中所

4、造成的磁盤I/O延遲是制約大數(shù)據(jù)集Web服務器性能的主要因素。本文針對HTTP連接處理的文件訪問特征，提出并實現(xiàn)了“前攝”的文件預讀策略—在open()系統(tǒng)調用中啟動讀操作把文件數(shù)據(jù)從磁盤讀入到頁面緩存中。通過響應延遲與吞吐量兩個方面的實驗測試，這種激進的預取優(yōu)化能夠將HTTP處理響應延遲降低20％～80％，在并發(fā)連接數(shù)目不高的情況下使服務器磁盤I/O的平均吞吐量獲得15％～40％的提高。 3.公平的寫回控制本文提出了“公平寫回

5、控制”框架，旨在對頁面緩存中的“臟”頁面提供更好的寫回控制，進而改善寫性能。針對并發(fā)寫操作所引起的臟頁滯留現(xiàn)象，本文在詳細分析Linux文件寫回調度算法的基礎上，設計并實現(xiàn)了CFW(Completely Fair Writeback)寫回調度算法。該算法能夠有效解決大文件寫回饑餓或寫回緩慢問題，從而消除了臟頁滯留現(xiàn)象。針對大規(guī)模寫的進行對正常寫操作所造成的影響，本文進一步實現(xiàn)了DWT(Discriminaling Writter Thr