页缓存是 Linux 内核基于物理内存 实现的文件数据缓存层 ，以4KB 物理页 为单位缓存磁盘文件的内容，是内核对所有文件 IO 的统一抽象；

普通文件 IO (read/write) 和 mmap 文件映射的底层都通过页缓存交互，主缺页异常仅在文件页未缓存时触发 ，页缓存的核心作用是将磁盘 IO 转化为内存 IO，减少主缺页次数和磁盘访问，提升系统整体性能。

脏页是页缓存中被修改但尚未同步到磁盘的物理页 ，内核通过PG_dirty标志位标记；

脏页管理的核心是双目标平衡：

一是延迟刷盘让文件 IO（write/mmap）无需等待磁盘，最大化性能；
二是及时刷盘 / 回收保证数据一致性、避免物理内存耗尽；

内核通过异步刷盘内核线程 和可配置的阈值策略实现该平衡，所有脏页操作（标记 / 刷盘 / 清除）均基于页缓存的核心数据结构完成。

页缓存的脏页是一把「双刃剑」：一方面，异步脏页让 write ()/mmap 写操作无需等待磁盘 IO，提升性能；另一方面，若不及时刷盘，系统崩溃会导致数据丢失，物理内存不足时也需要回收页缓存。

Linux 内核通过脏页刷盘 和页缓存回收 两大机制，平衡性能和数据一致性 、内存复用，这是页缓存管理的核心。

脏页的内核定义

当进程通过write () 普通文件 IO 或mmap (MAP_SHARED) 文件映射 修改页缓存中的数据后，该物理页的内容与底层磁盘文件 的数据不一致，内核将这类页缓存物理页定义为脏页（Dirty Page） ；与之相对的是干净页（Clean Page）：页缓存数据与磁盘完全一致，无未同步修改，是页缓存的默认状态。

脏页的内核标记与核心关联结构

核心标记：`PG_dirty` 页状态位

Linux 内核通过 **struct page（物理页描述符）中的flags字段的 PG_dirty** 标志位，标记该物理页是否为脏页：

置 1（SetPageDirty(page)）：页为脏页，数据未同步到磁盘；
置 0（ClearPageDirty(page)）：页为干净页，数据与磁盘一致；
判读（PageDirty(page)）：内核通用宏，用于检查页的脏状态。

关键：仅页缓存的物理页会被标记为脏页，匿名页（malloc/mmap 匿名映射）无磁盘关联，不会被标记为脏页（其修改仅涉及内存，无需持久化）。

核心关联结构：`struct address_space`

每个文件的inode关联唯一的struct address_space，该结构是文件级脏页管理的核心载体，核心脏页相关字段：

dirty_pages：脏页链表 ，存储该文件的所有脏页（struct page），实现文件级脏页的快速遍历与刷盘；
nr_dirty：该文件的脏页数量，用于快速统计；
ops：脏页操作函数集（writepage/sync_page），定义该文件脏页的刷盘逻辑（不同文件系统 / 块设备有专属实现）。

全局脏页统计：内核内存控制结构

内核通过全局内存管理结构（struct zone/struct vm_stat）统计系统级脏页总量：

nr_dirty：整个系统的脏页总数；
nr_writeback：正在刷盘的脏页数量；
这些统计值是内核触发异步刷盘 和页回收的核心依据。

脏页的核心特性

仅属于页缓存 ：脏页是页缓存的状态属性，非独立内存，匿名页、内核态内存无脏页概念；
修改即标记 ：对页缓存的任何写操作（write ()/mmap (MAP_SHARED) 写）都会触发脏页标记，无延迟；
延迟持久化 ：脏页标记后，数据仅存于物理内存，不立即同步到磁盘，这是文件 IO 高性能的核心原因；
全局可见：脏页的修改对所有共享该页缓存的进程可见（如多进程 mmap 同一文件），刷盘后磁盘数据也全局更新；
可被锁定 ：若脏页正在刷盘 / 被进程访问，内核会通过PG_locked标志锁定，避免并发修改导致数据错乱；
刷盘后清零 ：脏页成功同步到磁盘后，内核会立即清除PG_dirty标志，将其转为干净页。

脏页刷盘机制

内核将页缓存的脏页异步 / 同步 写入磁盘的过程称为刷盘（flush） ，核心目标是保证页缓存与磁盘的数据一致性 ，避免系统崩溃导致数据丢失，分为4 种刷盘方式，覆盖所有场景；

刷盘核心知识

刷盘单位 ：以物理页（4KB） 为单位，与页缓存的缓存单位一致；
刷盘对象 ：分为文件级刷盘 （仅刷指定文件的脏页）和系统级刷盘（刷所有文件的脏页）；
刷盘内容 ：分为数据刷盘 （仅同步文件数据）和元数据刷盘（同步文件数据 + inode 元数据，如文件大小、修改时间、权限）；
核心内核函数 ：
- writepage()：单个脏页的刷盘核心函数，不同文件系统（ext4/xfs）有专属实现；
- sync_inode_pages()：文件级脏页刷盘，遍历文件address_space的脏页链表，调用writepage()刷盘；
- kswapd/pdflush/flushers：内核异步刷盘线程，是后台刷盘的核心载体。

pdflush 是 2.4/2.6 早期的脏页刷盘线程，flushers 是 2.6 中后期对 pdflush 的升级（per-BDI 架构），kswapd 是全程存在的页回收核心线程，3.10 + 内核中 flushers 的刷盘逻辑被整合入 kswapd ，三者是迭代升级 + 功能融合的关系，而非独立并行；脏页刷盘的核心逻辑从「通用单线程」演进为「块设备专属线程」，最终与页回收线程融合，提升了高并发场景下的效率。

Linux 内核对脏页刷盘和内存回收的线程设计，随内核版本迭代持续优化，核心演进方向是从「全局通用线程」到「按设备隔离线程」 、从「刷盘 / 回收分离」到「刷盘 / 回收融合」，解决单线程瓶颈、跨设备 IO 阻塞等问题。

Linux 2.4 → Linux 2.6.10 → Linux 2.6.32 → Linux 3.10+ pdflush + kswapd → flushers（per-BDI）+ kswapd → kswapd（整合flushers）

演进的核心动因

pdflush 的核心问题 ：采用全局固定数量线程池 （默认 2~8 个），所有块设备共享同一批 pdflush 线程，若某块设备出现 IO 阻塞，会导致所有设备的脏页刷盘被阻塞 ，出现全局 IO 瓶颈；存在的核心缺陷：
- 全局线程池，跨设备 IO 阻塞 ：所有块设备共享 pdflush 线程，若某块磁盘（如机械盘）出现高 IO 延迟 / 阻塞，会导致 pdflush 线程被挂起，其他磁盘的脏页刷盘任务无法执行，引发全局脏页累积；
- 线程数量固定，无法动态扩缩容：面对突发脏页写入（如大文件批量写入），固定线程数无法应对，导致脏页堆积，最终触发紧急刷盘；
- 与 kswapd 协同低效 ：pdflush 和 kswapd 是独立线程，kswapd 回收脏页时需通过内核信号通知 pdflush 刷盘，存在线程间通信开销，且易出现竞态。
flushers 的改进与局限 ：引入per-BDI（Block Device Interface） 架构，每个块设备对应一个独立的 flushers 线程，实现设备级刷盘隔离，解决跨设备阻塞，但与 kswapd 分离，刷盘和回收的协同效率低；
3.10 + 融合的核心优势 ：将 flushers 的 per-BDI 刷盘逻辑整合入 kswapd，让内存回收 和脏页刷盘 由同一线程执行，减少线程间通信开销，实现「内存不足时优先刷盘回收脏页」的精准协同，提升内核效率。flushers被整合入 kswapd 的原因：
- 与 kswapd 分离，协同效率低 ：flushers 负责刷盘，kswapd 负责回收，二者仍为独立线程，kswapd 回收某设备的脏页时，需通知对应 flushers 线程刷盘，存在上下文切换和通信开销；
- 线程数量过多，资源消耗大：若系统挂载大量块设备（如云服务器的多块云盘），会创建大量 flushers 线程，占用内核内存和 CPU 资源，增加调度器负担；
- 功能单一：仅负责脏页刷盘，无内存回收能力，无法实现「刷盘 - 回收」的一体化处理。

当前 Linux 主流版本（CentOS7/8、Ubuntu18.04+）均为 3.10 + 内核，仅存在 kswapd 线程，pdflush/flushers 均为历史概念；

方式 1：异步刷盘（内核后台自动执行，默认）

这是最主要的刷盘方式，由内核的pdflush/kswapd/flushers内核线程后台执行，无阻塞用户态进程，核心触发条件：

脏页的驻留时间超过阈值 （默认 30s，可通过/proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs修改，单位：1/100 秒）；
页缓存中的脏页比例超过阈值 （默认总物理内存的 20%，可通过/proc/sys/vm/dirty_ratio修改）。

内核通过两个可配置的全局阈值 触发异步刷盘，满足任一条件即启动刷盘线程，刷盘直到脏页数量 / 驻留时间低于阈值，是内核调优的核心参数：

时间阈值 ：脏页的驻留时间超过阈值
- 内核为每个脏页记录首次被标记为脏的时间；
- 当时间超过dirty_expire_centisecs（默认 3000，单位：1/100 秒，即 30 秒），触发刷盘；
- 作用：保证任何脏页都不会在内存中驻留超过 30 秒，避免系统崩溃导致大量数据丢失。
比例阈值 ：系统脏页占总物理内存的比例超过阈值
- 当脏页总量占系统总物理内存的比例超过dirty_ratio（默认 20%），触发紧急刷盘；
- 补充阈值dirty_background_ratio（默认 10%）：触发后台刷盘 ，是更温和的比例阈值，优先于dirty_ratio触发；
- 作用：防止脏页无限制累积，耗尽物理内存。

刷盘特性

异步执行：刷盘线程在后台运行，与用户态进程无交互，不阻塞任何 IO 操作；
增量刷盘：仅刷盘超过阈值的脏页，而非所有脏页，减少磁盘 IO 压力；
优先级低：刷盘线程的 CPU 优先级较低，避免占用过多 CPU 资源影响业务进程。

方式 2：同步刷盘（用户态主动触发，阻塞）

用户态进程可通过系统调用，主动触发脏页的同步刷盘，阻塞进程直到刷盘完成，保证数据已写入磁盘，核心系统调用：

fsync(fd)：刷盘指定文件的所有脏页（数据 + 元数据），直到磁盘 IO 完成才返回；
fdatasync(fd)：刷盘指定文件的数据脏页，不刷盘元数据（如文件大小、修改时间），性能比 fsync 高；
sync()：刷盘整个系统的所有脏页（所有文件 + 块设备），阻塞直到所有刷盘完成，性能极低，不推荐频繁使用。

方式 3：文件关闭时刷盘（自动，部分场景）

当进程调用close(fd)关闭文件描述符时，内核会异步刷盘 该文件的脏页，不阻塞 close () 调用；

close () 不保证脏页已写入磁盘，若需要保证，需在 close () 前调用 fsync ()/fdatasync ()。

方式 4：系统关机 / 重启时刷盘（强制，保证数据不丢失）

系统关机或重启时，内核会执行强制同步刷盘，刷盘所有脏页到磁盘，直到所有 IO 完成后，才执行后续的关机流程，避免数据丢失。

四大刷盘机制核心对比

刷盘机制	触发方式	刷盘粒度	刷盘内容	阻塞特性	核心内核线程 / 函数	适用场景
内核异步刷盘	内核阈值触发	增量（超阈值）	数据 + 元数据	不阻塞用户态	flushers/kswapd	日常默认场景，平衡性能与一致性
用户态主动刷盘	fsync(fd)	文件级全量	数据 + 元数据	同步阻塞	sync_inode_pages	强一致性场景（数据库 / 支付）
	fdatasync(fd)	文件级增量	仅数据	同步阻塞（轻）	sync_inode_pages	数据一致、元数据无关场景
	sync()	系统级全量	所有脏页	同步阻塞（重）	sync_all	系统关机 / 重大操作前
文件关闭刷盘	close(fd)	文件级增量	数据 + 元数据	不阻塞 close	flushers	文件描述符释放时的被动刷盘
被动强制刷盘	页缓存回收	页级单页	数据 + 元数据	阻塞回收流程	writepage	物理内存不足，回收脏页前
	系统关机	系统级全量	所有脏页	阻塞关机流程	sync_all	系统正常关机 / 重启

脏页与页缓存回收的协同逻辑

脏页管理与页缓存回收 是强耦合的，二者共同实现页缓存的物理内存复用，核心遵循 **「先刷盘，后回收」** 的铁律；

回收优先级 ：内核优先回收长时间未访问的干净页（LRU 的 inactive 链表），尽量避免触发刷盘；
刷盘粒度 ：按单个脏页刷盘，而非批量刷盘，减少单次 IO 压力；
性能影响 ：若待回收的页缓存中脏页占比极高，会导致大量同步刷盘，磁盘 IO 飙升，CPU 等待 IO（% iowait 升高），系统出现卡顿；
锁定机制 ：刷盘 / 回收过程中，内核会通过PG_locked标记锁定该页，避免进程同时修改，导致数据错乱。

脏页管理调优策略

脏页调优的核心是调整内核阈值参数 ，并结合业务场景选择刷盘方式 ，分为性能优先 和一致性优先两大场景，无通用最优配置，需根据业务需求定制。

场景 1：性能优先（日志写入、大文件批量写入、视频存储）

业务特点：对 IO 性能要求极高，数据一致性要求低，允许少量数据丢失（如日志可重放、大文件可重新生成）；

调优策略 ：放宽脏页阈值，减少刷盘频率，最大化延迟刷盘的性能收益；

临时配置（性能优先）

echo 6000 > /proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs # 脏页驻留60秒刷盘

echo 20 > /proc/sys/vm/dirty_background_ratio # 脏页占比20%触发后台刷盘

echo 40 > /proc/sys/vm/dirty_ratio # 脏页占比40%触发紧急刷盘

程序优化：不调用fsync/fdatasync，依赖内核异步刷盘

场景 2：一致性优先（数据库、支付系统、金融交易、文件存储）

业务特点：对数据一致性要求极高，不允许任何数据丢失，对 IO 性能要求适中；

调优策略 ：收紧脏页阈值，增加刷盘频率，结合主动刷盘保证数据持久化；

临时配置（一致性优先）

echo 1000 > /proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs # 脏页驻留10秒刷盘

echo 5 > /proc/sys/vm/dirty_background_ratio # 脏页占比5%触发后台刷盘

echo 10 > /proc/sys/vm/dirty_ratio # 脏页占比10%触发紧急刷盘

程序优化：写操作后调用fdatasync（而非fsync），平衡性能与一致性

通用调优原则（所有场景）

避免dirty_ratio设置过高（如 > 50%），防止脏页过多导致内存耗尽 和回收时大量同步刷盘；
避免dirty_expire_centisecs设置过长（如 > 120 秒），防止系统崩溃时丢失大量数据；
优先使用fdatasync而非fsync，减少元数据刷盘的 IO 开销；
严禁频繁调用sync()，会导致磁盘 IO 飙升，阻塞所有进程；
大文件写入时，采用分块写入 + 间隔 fdatasync，避免单次刷盘量过大。

linux内核 页缓存的脏页管理