作業系統在處理檔案時，需要考慮兩個問題：

1.      存放在磁碟上的檔案讀寫速度比記憶體差了一個數量級。
2.      檔案載入到記憶體一次，供多個程式共享。

    例如，在Windows系統中，一個程序中常常包含各種系統DLL模組，其大約佔用15MB空間，如果這些DLL不被共享，將會佔用大量的系統記憶體。

    作業系統使用page cache機制解決上面的兩個問題。

    以下是一個應用程式事例，在linux下， render程序對sence.dat檔案的操作步驟如下：

    當render程式從sence.dat中讀取了12KB資料之後，系統的頁面記憶體可能如下：

    對於系統的所有檔案I/O請求，作業系統都是通過page cache機制實現的，對於作業系統而言，磁碟檔案都是由一系列的資料塊順序組成，資料塊的大小隨系統不同而不同，x86 linux系統下是4KB(一個標準頁面大小)。核心在處理檔案I/O請求時，首先到page cache中查詢(page cache中的每一個數據塊都設定了檔案以及偏移資訊)，如果未命中，則啟動磁碟I/O，將磁碟檔案中的資料塊載入到page cache中的一個空閒塊。之後再copy到使用者緩衝區中。

    很明顯，同一塊檔案資料，在記憶體中儲存了兩份，這既佔用了不必要的記憶體空間、冗餘的拷貝、以及造成的CPU cache利用率不高。針對此問題，作業系統提供了記憶體對映機制（linux中mmap、windows中Filemapping）。如下圖：

    在使用mmap呼叫時，系統並不是馬上為其分配記憶體空間，而僅僅是新增一個VMA到該程序中，當程式訪問到目標空間時，產生缺頁中斷。在缺頁中斷中，從pagecaches中查詢要訪問的檔案塊，若未命中，則啟動磁碟I/O從磁碟中載入到pagecaches。然後將檔案塊在pagecaches中的物理頁對映到程序mmap地址空間。

    當程式退出或關閉檔案時，系統是否會馬上清除page caches中的相應頁面呢？答案是否定的。由於該檔案可能被其他程序訪問，或該程序一段時間後會重新訪問，因此，在實體記憶體足夠的情況下，系統總是將其保持在page caches中，這樣可以提高系統的整體效能(提高page caches的命中率，儘量少的訪問磁碟)。只有當系統實體記憶體不足時，核心才會主動清理page caches。

    當程序呼叫write修改檔案時，由於page cache的存在，修改並不是馬上更新到磁碟，而只是暫時更新到page caches中，同時mark 目標page為dirty，當核心主動釋放pagecaches時，才將更新寫入磁碟(主動呼叫sync時，也會更新到磁碟)。

       Filemapping可以是共享或私有的。對於共享的Filemapping，情況較簡單。多個程序mmap對映到相同的pagecache。

    當filemapping為私有的時，為了防止一個程序修改操作影響到另一個程序，處理情形如下圖：