2. Page Cache 数据结构：address_space、inode 与 struct page

Page Cache 的核心数据结构围绕三个关键对象构建：address_space（地址空间）、inode（索引节点）和 struct page（页描述符）。这三者通过精巧的指针和链表组织在一起，构成了文件数据在内存中的缓存骨架。理解它们之间的关系，是掌握回写机制的前提。

2.1 address_space 结构体详解

address_space 是 Page Cache 的“调度中心”，定义在 linux/fs.h 中。每个打开的文件（inode）都对应一个 address_space 实例，负责管理该文件所有已缓存的物理页。

struct address_space {
    struct inode           *host;          /* 指向宿主 inode */
    struct radix_tree_root i_pages;        /* 基数树根节点，存储所有缓存页 */
    atomic_t               i_mmap_writable;/* 可写映射计数 */
    struct rb_root_cached   i_mmap;        /* 红黑树，管理所有内存映射区域 */
    struct rw_semaphore    i_mmap_rwsem;   /* 保护 i_mmap 树的读写信号量 */
    unsigned long          nrpages;        /* 当前缓存页总数 */
    unsigned long          nrexceptional;  /* 影子条目数（如 DAX 异常页） */
    pgoff_t                writeback_index;/* 回写起始页索引 */
    const struct address_space_operations *a_ops; /* 操作函数表 */
    unsigned long          flags;          /* 标志位，如 AS_EIO/AS_ENOSPC */
    spinlock_t             private_lock;   /* 私有锁 */
    struct list_head       private_list;   /* 私有链表 */
    void                   *private_data;  /* 私有数据指针 */
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));

2.2 inode 与 address_space 的关联

每个 inode 结构体中包含两个关键指针，用于连接 address_space：

struct inode {
    ...
    struct address_space    *i_mapping;  /* 指向 address_space */
    struct address_space    i_data;      /* 内嵌的 address_space 实例 */
    ...
};

关联规则非常直接：

• 常规文件： i_mapping 指向 &i_data，即 inode 自身内嵌的 address_space。
• 块设备文件： i_mapping 指向 bdev->bd_inode->i_mapping，共享块设备的全局缓存。
• 特殊文件系统（如 tmpfs）： 可能自定义 i_mapping 指向独立的 address_space 实例。

2.3 struct page 与 PG_xxx 标志位

struct page 是物理内存页的描述符，每个物理页帧（通常 4KB）对应一个 page 实例。在 Page Cache 上下文中，page 承载着文件数据，并通过标志位记录页面的状态。

struct page {
    unsigned long       flags;          /* 原子标志位，PG_xxx 系列 */
    atomic_t            _refcount;      /* 引用计数 */
    atomic_t            _mapcount;      /* 映射计数 */
    struct address_space *mapping;      /* 所属 address_space（低比特位编码） */
    pgoff_t             index;          /* 在文件内的页偏移 */
    struct list_head    lru;            /* LRU 链表节点 */
    void                *freelist;      /* 空闲链表（用于伙伴系统） */
    struct list_head    buddy_list;     /* 伙伴链表 */
    ...
    unsigned long       private;        /* 私有数据，如 buffer_head 指针 */
};

2.3.1 核心 PG_xxx 标志位

2.3.2 页状态转换与回写流程

一个 Page Cache 页在生命周期中经历以下关键状态转换：

1. 分配 & 读入： 页被分配并填充数据后，设置 PG_uptodate，清除 PG_dirty。
2. 修改（写操作）： 应用程序写入页后，内核设置 PG_dirty，标记页为脏。
3. 回写开始： 回写线程锁定页（PG_locked），设置 PG_writeback，提交 I/O 请求。
4. 回写完成： I/O 完成后清除 PG_writeback 和 PG_dirty，设置 PG_uptodate，解锁页。
5. 回收： 当内存压力大时，干净页被回收，page 结构归还伙伴系统。

2.4 从 inode 到 page 的查找路径

当内核需要访问某个文件偏移处的缓存页时，遵循以下查找路径：

// 给定 inode 和页偏移 index，查找缓存页
struct page *find_get_page(struct inode *inode, pgoff_t index)
{
    struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
    // 在 xarray/基数树中查找
    return xa_load(&mapping->i_pages, index);
}

// 设置脏页标记
void set_page_dirty(struct page *page)
{
    struct address_space *mapping = page_mapping(page);
    if (!mapping)
        return;
    // 调用 a_ops->set_page_dirty 或默认实现
    mapping->a_ops->set_page_dirty(page);
}

2.5 关键数据结构关系总结