# 内存管理中的缓存分类与分页机制关系 —— 实战代码与现象解读

嵌入式Jerry

于 2025-06-22 15:24:04 发布

阅读量494

点赞数 15

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：内核+内存管理文章标签：缓存 linux 运维服务器算法架构

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Interview_TC/article/details/148828116

内核+内存管理专栏收录该内容

4 篇文章

订阅专栏

📘 推荐阅读

《Yocto项目实战教程：高效定制嵌入式Linux系统》
京东购买链接

内存管理中的缓存分类与分页机制关系 —— 实战代码与现象解读

一、Linux系统中常见的“缓存”类型

1. CPU Cache（L1/L2/L3）

作用：CPU 内部缓存，非操作系统可控。理解时可跳过，不归 OS 内存管理范畴。

2. Page Cache（页缓存）

用途：文件/块设备I/O加速，占用大量物理内存。
现象：读/写大文件，free 命令 buff/cache 显著增长。

实战命令：

# 查看 buff/cache 变化
free -h

# 查看详细内存类型分布
cat /proc/meminfo | grep -E 'Cached|Buffers'

典型代码（读文件触发 Page Cache）：

// 文件内容被 Page Cache 缓存
FILE *fp = fopen("/tmp/largefile", "r");
char buf[4096];
while (fread(buf, 1, sizeof(buf), fp) > 0) { /* 触发页缓存 */ }
fclose(fp);

系统通过 page cache 把磁盘内容缓存在物理内存页，减少重复 IO。

3. Buffer Cache

用途：块设备元数据缓冲，现代 Linux 已合并到 Page Cache。
代码说明：无需额外理解，实际调优和分析时关注 Page Cache 即可。

4. Slab/Slub Cache（内核对象缓存池）

用途：内核频繁分配的小对象（如 task_struct、inode、dentry）的高效缓存。
典型现象：dentry/inode 缓存高峰时，占用大量物理内存。

内核代码片段（内核对象 slab 分配）：

struct task_struct *tsk = kmem_cache_alloc(task_struct_cachep, GFP_KERNEL);
// ... do work ...
kmem_cache_free(task_struct_cachep, tsk);

实用命令：

# slabtop 工具查看 Slab/Slub cache 占用
slabtop

5. 用户态程序的 malloc/new 缓存

用途：应用程序分配的内存，最终通过系统调用由内核分配物理页。

示例代码：

char *buf = malloc(1024*1024); // 用户空间分配
strcpy(buf, "hello world");
free(buf);

系统后台通过 brk/mmap 实现，物理页分配与分页机制密切相关。

在这里插入图片描述

二、分页机制与缓存的本质联系（代码+流程）

1. 分页机制（Paging）简述

作用：操作系统用页（Page，通常4K）为单位管理物理内存。

核心流程（伪代码）：

// 进程访问虚拟地址，内核页表转换
physical_page = mmu_lookup(virtual_address, current->mm->page_table);

2. 物理页的“用途分配”核心图解

                [ 物理内存 RAM ]
      +-----------------------------------+
      | Page0 | Page1 | ... | PageN       |
      +-----------------------------------+
         ↓         ↓           ↓
      +------+  +--------+   +---------+
      | Slab |  | Page   |   | 用户堆  |
      |Cache |  | Cache  |   | (malloc)|
      +------+  +--------+   +---------+
  （内核对象） （文件缓存）   （应用数据）

所有缓存、堆、栈，底层全是“物理页”，通过分页机制统一分配和管理。

3. Page Cache 分配流程（内核源码片段）

// 伪代码：读文件，未命中 page cache，则分配新页
struct page *page = find_get_page(mapping, index);
if (!page) {
    page = alloc_page(GFP_KERNEL); // 分配物理页
    add_to_page_cache_lru(page, mapping, index, GFP_KERNEL);
    // ...读取磁盘内容到page...
}

三、工程实践与典型现象（现象-代码-分析闭环）

1. 缓存占用分析命令

# free/top 等都能直观看到 buff/cache
free -h
top

# /proc/meminfo 详细统计（关键行）
cat /proc/meminfo | grep -E 'Buffers|Cached|Slab'

Buffers、Cached、Slab 分别对应块缓存、页缓存、slab对象池缓存。

2. 缓存释放与压力测试（代码+现象）

编写应用，持续读写大文件，观察 Page Cache 激增

FILE *fp = fopen("/tmp/bigfile", "w");
for (int i = 0; i < 1024*1024; ++i)
    fwrite("abcdefghij", 1, 10, fp);
fclose(fp);
// 此时 free -h 可见 buff/cache 大增

手动释放缓存页（慎用，示例）

# 释放Page Cache
sync; echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 释放Page+inode/dentry
sync; echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

3. Slab Cache 高峰实战

触发 inode/dentry 大量分配
- find /、ls -lR / 这类操作会暴增 Slab Cache。
- slabtop 实时查看对象池缓存波动。

四、知识总结：分页机制与缓存的核心逻辑

1. 逻辑关系归纳

分页机制 = 分配和追踪物理页的底层手段。
各种缓存 = 被分配出来物理页的用途之一。
管理手段 = 内核通过页表、slab管理器、LRU等算法动态分配、回收页。

2. 关键代码链路梳理

用户 malloc → 内核 brk/mmap → 页表 → 物理页分配
文件读写 → Page Cache 查询/分配 → 物理页 → 页表映射
内核对象分配 → Slab Cache 管理 → 物理页

五、经典自测问题（工程导向）

Page Cache 与 Slab Cache 在分配/回收时的核心区别与联系是什么？
（可通过 slabtop/free 命令和实际代码实验观察）
分页机制对用户态和内核态分配有何统一与差异？
（brk、mmap、kmalloc、alloc_page 这些API关系）
内存紧张时，Linux 怎么优先回收缓存页？回收机制在什么场景下会失效？
（结合 drop_caches/kswapd 行为分析）

六、口诀与结语

“缓存其实就是物理页，分页机制是根本。代码验证多实验，现象理解才深刻。”

📘 推荐阅读

《Yocto项目实战教程：高效定制嵌入式Linux系统》
京东购买链接