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【译】Linux 内存中的缓冲区(Buffer)与缓存(Cache)转载

2周前
182102

Buffer 和 Cache 的定义:

  • Buffer:是原始磁盘块的临时存储,即将缓存数据写入磁盘。它通常不会很大(大约 20MB)。这样,内核就可以将分散的写入集中起来,从而对磁盘写入进行统一优化。例如,多个小的写入可以合并为一个大的写入等。
  • Cache:是用于从磁盘读取文件的页面缓存,用于缓存从文件中读取的数据。这样,下次访问这些文件数据时,可以直接从内存中快速取回,而无需再次访问缓慢的磁盘。

但是让我问你,由于 Buffer 只是将写入磁盘的数据的缓存。反过来,它还会缓存从磁盘读取的数据吗?或者 Cache 是从文件中读取数据的缓存,那么它是否也为写入文件缓存数据呢?

如果你能回答以上两个问题,你可以跳过这篇文章,我想你已经对 Buffer 和 Cache 有了很好的理解。但如果你不能,请留下来看看我的进一步解释。

free 命令

要检查系统内存使用情况,您想到的第一个命令可能是 free ,例如:

$ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           1.9G        1.0G        394M        2.6M        491M        728M
Swap:            0B          0B          0B

很明显,该输出包括了物理内存 Mem 和 Swap 的具体使用情况(如总内存、已用内存、缓存、可用内存等)。缓存是 Buffer 和 Cache 两部分的总和。
让我们看一下 free 的手册页中的 Buffer 和 Cache 定义:

buffers
              Memory used by kernel buffers (Buffers in /proc/meminfo)
cache         Memory used by the page cache and slabs (Cached and SReclaimable in /proc/meminfo)
buff/cache
              Sum of buffers and cache

我们可以看到 free 命令的源数据实际上存储在 proc/meminfo 文件中。正如我前面提到的,/proc 是 Linux 内核提供的一个特殊的文件系统,它就像一个用户与内核交互的接口。

/proc 文件系统也是许多性能工具的最终数据源。在 man proc 中,Buffers 和 Cached 的定义如下:

Buffers %lu
    Relatively temporary storage for raw disk blocks that shouldn't get tremendously large (20MB or so).
Cached %lu
   In-memory cache for files read from the disk (the page cache).  Doesn't include SwapCached.
...
SReclaimable %lu (since Linux 2.6.19)
    Part of Slab, that might be reclaimed, such as caches.
    
SUnreclaim %lu (since Linux 2.6.19)
    Part of Slab, that cannot be reclaimed on memory pressure.

至此,您可能认为您已经找到了我的问题的答案,“Buffer”只是用于将数据写入磁盘的缓存,“Cache”只是用于从文件中读取数据的缓存。但事实上,“Buffer”也可以用于读取,“Cache”也可以用于写入。

实验

我们将在这里做两个实验,写缓存和读缓存。

写入 Cache

让我们登录到我们的 Linux 主机并准备好两个终端。在终端 1,让我们先清理缓存:
image1.png
这里 /proc/sys/vm/drop_caches 是一个通过 proc 文件系统修改内核行为的例子。写入 3 意味着清理各种缓存,例如文件页、目录条目和 Inode。

仍然在终端 1,让我们开启 vmstat 2 命令:
image2.png
buff 和 cache 就是我们前面看到的 Buffer 和 Cache,单位是 KB。

bi 和 bo 分别表示块设备读取和写入的大小,以块/s 为单位。由于 Linux 中的块大小为 1KB,因此这个单位相当于 KB/s。

接下来,转移到终端 2 并运行以下命令:

image3.png
现在切换回终端 1,并观察 buff 和 cache 的变化:
image4.png
通过观察 vmstat 的输出,我们发现运行 dd 命令时,Cache 一直在增长,而 Buffer 基本没有变化。

读取 Buffer

现在,让我们做第二个实验。再次清除终端 1中的缓存:
image5.png
同样在终端 1 中,再次启动 vmstat 2 命令:
image6.png
您可以看到此时 buff 为 0。现在在终端 2 中,运行以下命令:
image7.png
然后,回到终端 1 观察:
image8.png
观察 vmstat 的输出,你会发现在读盘的时候(也就是 bi > 0 的时候),Buffer 和 Cache 都在增长,但是显然 Buffer 的增长要快很多。这意味着当从磁盘读取时,数据被缓存在 Buffer 中。
现在我们几乎可以得出结论:

读取文件时数据会缓存在 Cache 中,读取磁盘时数据会缓存在 Buffer 中。

结论

在这里应该会发现,虽然本文对 Buffer 和 Cache 进行了描述,但仍然无法涵盖所有细节。我们如今学到了以下两点:

  • Buffer:既可以用作“要写入磁盘的数据缓存”,也可以用作“读取磁盘读的数据缓存”。
  • Cache:既可以用作“从读取文件的页面缓存”,也可以用作“写入文件的页面缓存”。
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Allenwang
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