怎么理解内存中的Buffer和Cache

本文是通过学习倪朋飞老师的《Linux性能优化实战》 ：怎么理解内存中的Buffer和Cache？

内存和 CPU 的关系非常紧密，而内存管理本身也是很复杂的机制，所以感觉知识很硬核、 很难啃，都是正常的。但还是那句话，初学时不用非得理解所有内容，继续往后学，多理 解相关的概念并配合一定的实践之后，再回头复习往往会容易不少。当然，基本功不容放弃。

我们先看一下系统的内存使用情况，比如下面这个 free 输出界面：

free
             total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        3871192     1152832     1771464       492      946896     2471884
Swap:       4194300       91904     4102396

显然，这个界面包含了物理内存 Mem 和交换分区 Swap 的具体使用情况，比如总内存、 已用内存、缓存、可用内存等。其中缓存是 Buffer 和 Cache 两部分的总和 。

这里的大部分指标都比较容易理解，但 Buffer 和 Cache 可能不太好区分。从字面上来说，Buffer 是缓冲区，而 Cache 是缓存，两者都是数据在内存中的临时存储。那么，这两种“临时存储”有什么区别吗？

注：接下来的内容，Buffer 和 Cache 我会都用英文来表示，避免跟文中的“缓存”一词混淆。而文中的“缓存”，则通指内存中的临时存储。

free 数据的来源

• Buffers 是内核缓冲区用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Buffers 值。
• Cache 是内核页缓存和 Slab 用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Cached 与 SReclaimable 之和。

proc 文件系统

/proc 是 Linux 内核提供的一种特殊文件系统，是用户跟内核交互的接口。比方说，用户可以从 /proc 中查询内核的运行状态和配置选项， 查询进程的运行状态、统计数据等，当然，也可以通过 /proc 来修改内核的配置。

proc 文件系统同时也是很多性能工具的最终数据来源。比如我们刚才看到的 free ，就是通过读取 /proc/meminfo ，得到内存的使用情况。

man proc
 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.

通过文档，我们可以看到:

• Buffers 是对原始磁盘块的临时存储，也就是用来缓存磁盘的数据，通常不会特别大 (20MB 左右)。这样，内核就可以把分散的写集中起来，统一优化磁盘的写入，比如 可以把多次小的写合并成单次大的写等等。
• Cached 是从磁盘读取文件的页缓存，也就是用来缓存从文件读取的数据。这样，下次 访问这些文件数据时，就可以直接从内存中快速获取，而不需要再次访问缓慢的磁盘。
• SReclaimable 是 Slab 的一部分。Slab 包括两部分，其中的可回收部分，用 SReclaimable 记录;而不可回收部分，用 SUnreclaim 记录。

好了，我们终于找到了这三个指标的详细定义。到这里，我们是不是长舒一口气，满意地想着，总算弄明白 Buffer 和 Cache 了。不过，知道这个定义就真的理解了吗?这里我给你 提了两个问题，你先想想能不能回答出来。

第一个问题，Buffer 的文档没有提到这是磁盘读数据还是写数据的缓存，而在很多网络搜索的结果中都会提到 Buffer 只是对将要写入磁盘数据的缓存。那反过来说，它会不会也缓存从磁盘中读取的数据呢？

第二个问题，文档中提到，Cache 是对从文件读取数据的缓存，那么它是不是也会缓存写文件的数据呢？

为了弄明白这两个问题，接下来，我们用几个案例来展示， Buffer 和 Cache 在不同场景下的使用情况。

案例

预先安装 sysstat 包，如 yum install sysstat。

之所以要安装 sysstat ，是因为我们要用到 vmstat ，来观察 Buffer 和 Cache 的变化情 况。虽然从 /proc/meminfo 里也可以读到相同的结果，但毕竟还是 vmstat 的结果更加直观。

另外，这几个案例使用了 dd 来模拟磁盘和文件的 I/O，所以我们也需要观测 I/O 的变化情况。

工具安装完成后，你可以打开两个终端，连接到机器上。

场景 1:磁盘和文件写案例

我们先来模拟第一个场景。首先，在第一个终端，运行下面这个 vmstat 命令:

vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache    si   so    bi    bo   in   cs  us sy id  wa st
 0  0  91904 1758276  948  954012    0    0     0     6    0    1   19 16 65  0  0
 0  0  91904 1777896  948  954052    0    0     0     0  1328  2310  0  1 99  0  0

输出界面里， 内存部分的 buff 和 cache ，以及 io 部分的 bi 和 bo 就是我们要关注的重点。

• buff 和 cache 就是我们前面看到的 Buffers 和 Cache，单位是 KB。
• bi 和 bo 则分别表示块设备读取和写入的大小，单位为块 / 秒。因为 Linux 中块的大小 是 1KB，所以这个单位也就等价于 KB/s。

正常情况下，空闲系统中，你应该看到的是，这几个值在多次结果中一直保持不变。

接下来，到第二个终端执行 dd 命令，通过读取随机设备，生成一个 500MB 大小的文件：

dd if=/dev/urandom of=/tmp/file bs=1M count=500

然后再回到第一个终端，观察 Buffer 和 Cache 的变化情况：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  9 177664  86024      0 2754656    0   32  9920    32 2973 3202  0 22 21 57  0
 2  2 251136 110632      0 2817868  924  460   924 88524 5267 3253  0 26 34 39  0
 2  0 249600 106332      0 2833680 1184  788  1184 123668 4950 2959  0 27 29 44  0
 1  3 250624 108604      0 2830612    0 1020    12 154624 5001 2733  1 27 45 28  0
 0  4 251904 127880      0 2829716   28 1260 14684 179444 3532 2630  1 23 28 49  0
 1  1 251904 104864      0 2820744    0   44 10984 32812 3803 3811  5 19 18 58  0

通过观察 vmstat 的输出，我们发现，在 dd 命令运行时， Cache 在不停地增长，而 Buffer 基本保持不变。

再进一步观察 I/O 的情况，我们会看到：

• 在 Cache 刚开始增长时，块设备 I/O 很少，bi 只出现了一次 924 KB/s，bo 则只有一 次 32KB。而过一段时间后，才会出现大量的块设备写，比如 bo 变成了 179444
• 当 dd 命令结束后，Cache 不再增长，但块设备写还会持续一段时间，并且，多次 I/O 写的结果加起来，才是 dd 要写的 500M 的数据。

虽然文档提供了对 Buffer 和 Cache 的说明，但是仍不能覆盖到所 有的细节。比如说，今天我们了解到的这两点：

1. Buffer 既可以用作“将要写入磁盘数据的缓存”，也可以用作“从磁盘读取数据的缓 存”。
2. Cache 既可以用作“从文件读取数据的页缓存”，也可以用作“写文件的页缓存”。

简单来说，Buffer 是对磁盘数据的缓存，而 Cache 是文件数据的缓存，它们既会用在读 请求中，也会用在写请求中。

总结

我们一起探索了内存性能中 Buffer 和 Cache 的详细含义。Buffer 和 Cache 分别缓 存磁盘和文件系统的读写数据。

• 从写的角度来说，不仅可以优化磁盘和文件的写入，对应用程序也有好处，应用程序可以在数据真正落盘前，就返回去做其他工作。
• 从读的角度来说，既可以加速读取那些需要频繁访问的数据，也降低了频繁 I/O 对磁盘的压力。

除了探索的内容本身，这个探索过程对你应该也有所启发。在排查性能问题时，由于各种资源的性能指标太多，我们不可能记住所有指标的详细含义。那么，准确高效的手段—— 查文档，就非常重要了。

所以我们一定要养成查文档的习惯，并学会解读这些性能指标的详细含义。此外，proc 文件系统也是我们的好帮手。它为我们呈现了系统内部的运行状态，同时也是很多性能工具的数据来源，是辅助排查性能问题的好方法。

欢迎扫码关注V信公众号一起交流：一苦四甜