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Page Cache, Buffer Cache

1,234 단어·3 분·원문(.md)

OS의 페이지 캐시와 버퍼 캐시는 디스크 IO 성능을 높이기 위해 메인 메모리 RAM의 일부를 저장소로 사용하는 핵심 메커니즘이다.

최신 리눅스 커널에서는 이 두개념이 하나로 통합되었지만, 기원과 논리적 구분은 공부할 가치가 있는듯하다.

구분을 먼저 해보면 페이지 캐시는 page 단위(보통 4kb), 버퍼 캐시는 블록 단위(512B~4KB)이다.

페이지 캐시는 파일의 내용 file data가 대상이고 고수준(파일 시스템 계층)에서 추상화 되어있으며, 목적으로는 파일 읽기/쓰기 속도 향상을 위해 사용된다.

버퍼 캐시는 디스크의 물리적 블록이 대상이고. 저수준(block device) 계층에 추상화 되어있으며 디스크 메타데이터 및 블록 정렬 관리 목적이다.

  • 페이지 캐시: 사용자가 read(), wrtie() 시스템 콜을 통해 파일에 접근할 때 사용된다. 파일의 100번째 바이트부터 읽어줘 라는 요청을 처리한다.
  • 버퍼 캐시: 파일 시스템의 메타데이터(inode, Superblock등)나 디스크 장치에 직접 접근할 때 사용된다. 디스크의 500번째 섹터를 읽어줘라는 요청을 처리한다.

통합 페이지 캐시 (Unified Buffer Cache) #

과거 구조의 가장 큰 문제는 **이중 캐싱(Double Caching)**이었다. 파일 데이터를 읽으면 페이지 캐시에 저장되고, 그 아래 블록 계층에서 똑같은 데이터가 버퍼 캐시에 또 저장되어 메모리가 낭비됐기 때문이다.

현대 리눅스 커널 (linux 2.4이후) 이를 해결하기 위해 통합 페이지 캐시 구조를 채택했다.

  • 구조: 버퍼 캐시는 이제 독립적인 메모리 영역이 아니라, 페이지 캐시 내부에 포함된 논리적인 개념이다.
  • 작동방식: 페이지 캐시의 한 페이지 4kb가 디스크 블록 1kb 4개를 가리키는 buffer_head 구조체를 가짐으로써 두 캐시의 역할들 동시에 수행한다.
struct buffer_head {
    unsigned long b_state;          /* 버퍼의 상태 플래그 (Dirty, Up-to-date 등) */
    struct buffer_head *b_this_page;/* 같은 페이지 내의 다음 buffer_head를 가리킴 (순환 연결 리스트) */
    struct page *b_page;            /* 이 버퍼가 속해 있는 물리 페이지 */

    sector_t b_blocknr;             /* 디스크상의 논리 블록 번호 (Logical block number) */
    size_t b_size;                  /* 블록의 크기 (예: 1024 bytes) */
    char *b_data;                   /* 페이지 내에서 데이터가 시작되는 위치의 포인터 */

    struct block_device *b_bdev;    /* 이 블록이 속한 블록 장치 (하드디스크 등) */
    bh_end_io_t *b_end_io;          /* I/O 완료 시 호출될 콜백 함수 */
    void *b_private;                /* b_end_io용 개인 데이터 */
    
    atomic_t b_count;               /* 사용 횟수 (Reference count) */
};

커널 레벨에서 읽기/쓰기 흐름 #

Read 흐름 (Page Cache Look-up)

  1. 프로세스가 read()를 호출한다.
  2. 커널은 해당 파일의 해당 오프셋이 page cache에 있는지 확인한다 address_space 구조체 참조
  3. Cache Hit: 메모리에서 즉시 데이터를 복사하여 사용자에게 전달한다. (디스크 접근 없음)
  4. Cache Miss: 디스크에서 데이터를 읽어 페이지 캐시에 채운 뒤 전달한다. (이때 주변 블록까지 미리 읽는 Read-ahead를 수행한다.)

Write 흐름 (Write-back 정책)

  1. 프로세스가 write()를 호출한다.
  2. 데이터를 페이지 캐시에 쓰고, 해당 페이지를 Dirty Page로 표시한다.
  3. 특정 조건(시간 경과, 메모리 부족, 명시적 sync)이 충족되면 커널의 Background Worker(flusher thread)가 디스크에 실제 기록을 수행한다.

관측 #

free -m을 통해서 buff/cache 항목을 보면 이 두 캐시가 사용하는 메모리 양을 확인할 수 있다.

/proc/meminfo: Cached, Buffers, Dirty 항목을 통해 상세한 수치도 확인 가능하다.

vmstat 1: bi, bo 각각 block in block out이고 이를 통해 캐시와 디스크 간의 데이터 이동을 실시간 모니터링 가능하다.

Operating-System/pbcache.md