在計算機的世界里，內(nèi)存管理就像是一場精密的交響樂指揮，協(xié)調(diào)著數(shù)據(jù)的流動與處理，對計算機系統(tǒng)的性能起著決定性作用。想象一下，計算機系統(tǒng)是一座繁忙的城市，內(nèi)存就是城市中的交通樞紐，數(shù)據(jù)則是來來往往的車輛。如果沒有良好的交通管理（內(nèi)存管理），車輛（數(shù)據(jù)）就會擁堵，整個城市（計算機系統(tǒng)）的運行效率就會大幅下降。

而在內(nèi)存管理這個大舞臺上，Buffer（緩沖區(qū)）和 Cache（緩存）則是兩位至關(guān)重要的角色，它們默默工作，卻對系統(tǒng)性能有著深遠影響。很多人對它們的概念感到困惑，常常將二者混為一談，今天就讓我們深入探究一下這兩個神秘的存在，揭開它們的面紗，看看它們是如何在幕后助力計算機高效運行的 。

一、Buffer和Cache概述

從字面意思來看，Buffer 是緩沖區(qū)，Cache 是緩存 。它們都用于在內(nèi)存中臨時存儲數(shù)據(jù)，但這兩種 “臨時存儲” 又有著明顯的區(qū)別。就好像你出門旅行，會帶一個行李箱和一個隨身小包。行李箱可以類比為 Buffer，它用來存放暫時不用，但后續(xù)可能會用到的物品，這些物品就像等待傳輸?shù)狡渌O備的數(shù)據(jù)。而隨身小包就像 Cache，里面裝著你隨時可能會用到的東西，比如手機、錢包，這些物品就像被頻繁訪問的數(shù)據(jù)，放在小包里能讓你快速拿到，就像數(shù)據(jù)被緩存起來能被快速讀取一樣。

在 Linux 系統(tǒng)中，我們可以通過free命令來查看內(nèi)存的使用情況 。打開終端，輸入free -h（-h參數(shù)是為了讓輸出結(jié)果更易讀），你會看到類似這樣的信息：

total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           7.7G        2.0G        3.7G        113M        2.0G        5.3G
Swap:          2.0G          0B        2.0G

在這些信息中，buff/cache這一列引起了我們的注意，它就是 Buffer 和 Cache 的內(nèi)存使用總和 。而實際上，free命令的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是來自于/proc/meminfo這個文件 。用cat /proc/meminfo命令查看，會看到更詳細的內(nèi)存信息，其中Buffers和Cached這兩個字段，分別對應著 Buffer 和 Cache 使用的內(nèi)存大小 。

那么，Buffers、Cached和SReclaimable具體是什么含義呢？Buffers是內(nèi)核緩沖區(qū)用到的內(nèi)存，它主要用于緩存磁盤的數(shù)據(jù) 。比如，當我們向磁盤寫入數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)不會立刻被寫入磁盤，而是先存儲在Buffers中，等積累到一定量或者滿足特定條件時，再統(tǒng)一寫入磁盤，這樣可以減少磁盤 I/O 的次數(shù)，提高寫入效率 。Cached是內(nèi)核頁緩存和 Slab 用到的內(nèi)存，主要用于緩存從文件讀取的數(shù)據(jù) 。

當我們讀取一個文件時，數(shù)據(jù)會被緩存到Cached中，如果下次再讀取相同的文件內(nèi)容，就可以直接從內(nèi)存中獲取，大大加快了讀取速度 。SReclaimable是 Slab 的一部分，Slab 是內(nèi)核中用于管理內(nèi)存的一種機制，SReclaimable表示 Slab 中可回收的部分 。

二、Buffer與Cache工作原理

2.1Buffer的工作原理

Buffer 就像是數(shù)據(jù)傳輸過程中的一個臨時停靠站 。當計算機與不同速度的設備進行數(shù)據(jù)交換時，比如內(nèi)存與硬盤之間，由于硬盤的讀寫速度相對內(nèi)存來說非常慢，如果沒有 Buffer，內(nèi)存就需要一直等待硬盤完成數(shù)據(jù)傳輸，這會極大地浪費內(nèi)存的性能 。而有了 Buffer，當內(nèi)存要向硬盤寫入數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)會先被存儲到 Buffer 中 。假設我們要將一個大文件寫入硬盤，文件數(shù)據(jù)會按一定大小的塊依次存入 Buffer 。

當 Buffer 中的數(shù)據(jù)達到一定量（比如一個磁盤塊的大小），或者滿足特定的寫入條件（如操作系統(tǒng)的寫入調(diào)度策略）時，這些數(shù)據(jù)就會被一次性寫入硬盤 。這樣做的好處是，減少了硬盤的讀寫次數(shù) 。因為如果每次有少量數(shù)據(jù)就直接寫入硬盤，硬盤的磁頭需要頻繁移動來定位數(shù)據(jù)位置，這會花費大量時間 。而通過 Buffer 的緩沖，將分散的小寫入操作合并成大的寫入操作，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。

同時，在數(shù)據(jù)讀取時，Buffer 也起著類似的作用 。當從硬盤讀取數(shù)據(jù)時，硬盤會將數(shù)據(jù)先讀取到 Buffer 中，內(nèi)存再從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)，這就避免了內(nèi)存直接與速度較慢的硬盤頻繁交互，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性 。

當應用程序請求從磁盤讀取數(shù)據(jù)時，內(nèi)核會先檢查Buffer中是否已經(jīng)存在相應的數(shù)據(jù)塊。如果存在，內(nèi)核會直接從Buffer返回數(shù)據(jù)，避免了對物理磁盤的讀取。如果數(shù)據(jù)不在Buffer中，內(nèi)核會將數(shù)據(jù)塊從磁盤讀取到Buffer中，并返回給應用程序。這樣，Buffer在一定程度上減少了對磁盤的訪問次數(shù)，提高了I/O性能。

相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)

(1)dirty_ratio

echo 20 > /proc/sys/vm/dirty_ratio
或
sysctl -w vm.dirty_ratio=20

• 作用： dirty_ratio 參數(shù)定義了系統(tǒng)內(nèi)存中臟頁（已被修改但尚未寫入磁盤）的最大比例。當臟頁的比例達到或超過此值時，系統(tǒng)將啟動同步寫入操作，將臟頁寫入磁盤。
• 影響： 控制臟頁的及時寫入，適當設置有助于避免頻繁的磁盤寫入操作。
• 配置方式（參數(shù)的單位是百分比）

(2)dirty_background_ratio

echo 10 > /proc/sys/vm/dirty_background_ratio
或
sysctl -w vm.dirty_background_ratio=10

• 作用：dirty_background_ratio 參數(shù)定義了當臟頁的比例超過此值時，系統(tǒng)會觸發(fā)后臺寫入操作。后臺寫入是指將臟頁異步地寫入磁盤，不會引起進程阻塞。
• 影響： 控制后臺寫入的啟動條件，避免系統(tǒng)過早地觸發(fā)寫入操作，從而提高系統(tǒng)性能。
• 配置方式， 可通過修改 /proc/sys/vm/dirty_background_ratio 文件或使用 sysctl 命令進行配置。（參數(shù)的單位是百分比）

2.2Cache：加速系統(tǒng)的秘密武器

Cache 的工作原理基于程序的局部性原理 ，即程序在一段時間內(nèi)訪問的數(shù)據(jù)往往集中在一個較小的區(qū)域 。它就像一個數(shù)據(jù)的 “快速通道”，將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)復制到內(nèi)存中速度更快的區(qū)域 。以數(shù)據(jù)庫查詢?yōu)槔斘覀儓?zhí)行一個數(shù)據(jù)庫查詢語句時，查詢結(jié)果會被存儲在 Cache 中 。如果下次再執(zhí)行相同或相似的查詢語句，系統(tǒng)會首先檢查 Cache 中是否已經(jīng)存在該結(jié)果 。如果存在，就直接從 Cache 中讀取數(shù)據(jù)返回給用戶，而不需要再次執(zhí)行復雜的數(shù)據(jù)庫查詢操作 。這大大減少了數(shù)據(jù)訪問的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度 。

Cache 通常采用一些替換算法，如最近最少使用（LRU）算法，來決定當 Cache 空間不足時，哪些數(shù)據(jù)需要被替換出去 。LRU 算法會將最近一段時間內(nèi)最少被訪問的數(shù)據(jù)替換掉，這樣可以保證 Cache 中始終保存著最有可能被再次訪問的數(shù)據(jù) 。除了數(shù)據(jù)庫查詢，Cache 在 CPU 與內(nèi)存之間也起著重要作用 。

由于 CPU 的運行速度遠遠快于內(nèi)存，為了減少 CPU 等待內(nèi)存數(shù)據(jù)的時間，在 CPU 和內(nèi)存之間設置了 Cache 。CPU 首先會在 Cache 中查找需要的數(shù)據(jù)，如果找到（命中），就可以快速獲取數(shù)據(jù)進行處理；如果沒找到（未命中），才會從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)同時存入 Cache 中，以便下次訪問時能夠更快獲取 。

相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)

(1)vfs_cache_pressure

echo 100 > /proc/sys/vm/vfs_cache_pressure
或
sysctl -w vm.vfs_cache_pressure=100

• 作用： vfs_cache_pressure 參數(shù)用于調(diào)整內(nèi)核對 dentry 和 inode 緩存的傾向性。較大的值使內(nèi)核傾向于回收 dentry，而較小的值使內(nèi)核傾向于回收 inode。
• 影響： 控制文件系統(tǒng)緩存的回收策略，影響文件系統(tǒng)性能。較大的值有助于加速緩存的回收，從而釋放內(nèi)存。
• 配置方式： 可通過修改 /proc/sys/vm/vfs_cache_pressure 文件或使用 sysctl 命令進行配置。

例如：swappiness

echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness
或
sysctl -w vm.swappiness=10

• 作用：swappiness 參數(shù)用于調(diào)整內(nèi)核在內(nèi)存不足時將數(shù)據(jù)移動到交換空間的傾向性。值的范圍是 0 到 100，0 表示盡量不使用交換空間，100 表示盡量使用交換空間。
• 影響： 控制系統(tǒng)對交換空間的利用，較小的值有助于減少對交換空間的使用，提高整體性能。
• 配置方式： 可通過修改 /proc/sys/vm/swappiness 文件或使用 sysctl 命令進行配置。

3.3Buffer和Cache的區(qū)別

(1)存儲內(nèi)容

• Buffer存儲的是I/O操作的數(shù)據(jù)塊，通常是對物理設備的讀寫請求的中介。
• Cache存儲的是文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊，包括文件的元數(shù)據(jù)和實際內(nèi)容。

(2)讀取方式

• Buffer主要用于減少對物理設備的讀寫次數(shù)，通過緩存I/O操作提高性能。
• Cache更側(cè)重于文件系統(tǒng)的讀取，通過緩存文件數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)提高文件系統(tǒng)的整體讀取速度。

(3)清理策略

• Buffer中的數(shù)據(jù)通常被操作系統(tǒng)維護，不容易手動清理。
• Cache的內(nèi)容可以通過手動或自動的方式進行清理，以釋放內(nèi)存空間。

三、實戰(zhàn)案例分析

為了更直觀地理解 Buffer 和 Cache 的工作方式，我們通過幾個實際案例來進行分析 。在 Linux 系統(tǒng)中，我們可以使用vmstat命令來實時監(jiān)控內(nèi)存和 I/O 的使用情況 。打開終端，輸入vmstat 1（1表示每秒輸出一次數(shù)據(jù)），可以看到如下信息：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
1  0      0 999960   2464 135840    0    0     1     2    5   29  0  0 100  0  0

這里的buff和cache分別對應 Buffer 和 Cache 使用的內(nèi)存大小，單位是 KB ，bi和bo分別表示塊設備讀取和寫入的大小，單位為塊 / 秒 。由于 Linux 中塊的大小是 1KB，所以這個單位也就等價于 KB/s 。

3.1磁盤和文件寫案例

我們先來模擬第一個場景；首先，在第一個終端，運行下面這個vmstat 命令：

# 每隔1秒輸出1組數(shù)據(jù)
$ 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      0 7743608   1112  92168    0    0     0     0   52  152  0  1 100  0  0
 0  0      0 7743608   1112  92168    0    0     0     0   36   92  0  0 100  0  0

輸出界面里， 內(nèi)存部分的 buff 和 cache ，以及 io 部分的 bi 和 bo 就是我們要關(guān)注的重點。

• buff 和 cache 就是我們前面看到的 Buffers 和 Cache，單位是 KB。
• bi 和 bo 則分別表示塊設備讀取和寫入的大小，單位為塊/秒。因為 Linux 中塊的大小是 1KB，所以這個單位也就等價于 KB/s。

正常情況下，空閑系統(tǒng)中，你應該看到的是，這幾個值在多次結(jié)果中一直保持不變。

接下來，到第二個終端執(zhí)行 dd 命令，通過讀取隨機設備，生成一個500MB大小的文件：

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

然后再回到第一個終端，觀察Buffer和Cache的變化情況：

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      0 7499460   1344 230484    0    0     0     0   29  145  0  0 100  0  0
 1  0      0 7338088   1752 390512    0    0   488     0   39  558  0 47 53  0  0
 1  0      0 7158872   1752 568800    0    0     0     4   30  376  1 50 49  0  0
 1  0      0 6980308   1752 747860    0    0     0     0   24  360  0 50 50  0  0
 0  0      0 6977448   1752 752072    0    0     0     0   29  138  0  0 100  0  0
 0  0      0 6977440   1760 752080    0    0     0   152   42  212  0  1 99  1  0
...
 0  1      0 6977216   1768 752104    0    0     4 122880   33  234  0  1 51 49  0
 0  1      0 6977440   1768 752108    0    0     0 10240   38  196  0  0 50 50  0

通過觀察 vmstat 的輸出，我們發(fā)現(xiàn)，在dd命令運行時， Cache在不停地增長，而Buffer基本保持不變。

再進一步觀察I/O的情況，你會看到，在 Cache 剛開始增長時，塊設備 I/O 很少，bi 只出現(xiàn)了一次 488 KB/s，bo 則只有一次 4KB。而過一段時間后，才會出現(xiàn)大量的塊設備寫，比如 bo 變成了122880。

當 dd 命令結(jié)束后，Cache 不再增長，但塊設備寫還會持續(xù)一段時間，并且，多次 I/O 寫的結(jié)果加起來，才是 dd 要寫的 500M 的數(shù)據(jù)。

把這個結(jié)果，跟我們剛剛了解到的Cache的定義做個對比，你可能會有點暈乎。為什么前面文檔上說 Cache 是文件讀的頁緩存，怎么現(xiàn)在寫文件也有它的份？

這個疑問，我們暫且先記下來，接著再來看另一個磁盤寫的案例。兩個案例結(jié)束后，我們再統(tǒng)一進行分析。

不過，對于接下來的案例，我必須強調(diào)一點：下面的命令對環(huán)境要求很高，需要你的系統(tǒng)配置多塊磁盤，并且磁盤分區(qū) /dev/sdb1 還要處于未使用狀態(tài)。如果你只有一塊磁盤，千萬不要嘗試，否則將會對你的磁盤分區(qū)造成損壞。

如果你的系統(tǒng)符合標準，就可以繼續(xù)在第二個終端中，運行下面的命令。清理緩存后，向磁盤分區(qū)/dev/sdb1 寫入2GB的隨機數(shù)據(jù)：

# 首先清理緩存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 然后運行dd命令向磁盤分區(qū)/dev/sdb1寫入2G數(shù)據(jù)
$ dd if=/dev/urandom of=/dev/sdb1 bs=1M count=2048

然后，再回到終端一，觀察內(nèi)存和I/O的變化情況：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
1  0      0 7584780 153592  97436    0    0   684     0   31  423  1 48 50  2  0
 1  0      0 7418580 315384 101668    0    0     0     0   32  144  0 50 50  0  0
 1  0      0 7253664 475844 106208    0    0     0     0   20  137  0 50 50  0  0
 1  0      0 7093352 631800 110520    0    0     0     0   23  223  0 50 50  0  0
 1  1      0 6930056 790520 114980    0    0     0 12804   23  168  0 50 42  9  0
 1  0      0 6757204 949240 119396    0    0     0 183804   24  191  0 53 26 21  0
 1  1      0 6591516 1107960 123840    0    0     0 77316   22  232  0 52 16 33  0

從這里你會看到，雖然同是寫數(shù)據(jù)，寫磁盤跟寫文件的現(xiàn)象還是不同的。寫磁盤時（也就是bo大于 0 時），Buffer和Cache都在增長，但顯然Buffer的增長快得多。

這說明，寫磁盤用到了大量的Buffer，這跟我們在文檔中查到的定義是一樣的。

對比兩個案例，我們發(fā)現(xiàn)，寫文件時會用到 Cache 緩存數(shù)據(jù)，而寫磁盤則會用到 Buffer 來緩存數(shù)據(jù)。所以，回到剛剛的問題，雖然文檔上只提到，Cache是文件讀的緩存，但實際上，Cache也會緩存寫文件時的數(shù)據(jù)。

3.2磁盤和文件讀案例

了解了磁盤和文件寫的情況，我們再反過來想，磁盤和文件讀的時候，又是怎樣的呢？

我們回到第二個終端，運行下面的命令；清理緩存后，從文件/tmp/file中，讀取數(shù)據(jù)寫入空設備：

# 首先清理緩存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 運行dd命令讀取文件數(shù)據(jù)
$ dd if=/tmp/file of=/dev/null

然后，再回到終端一，觀察內(nèi)存和I/O的變化情況：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  1      0 7724164   2380 110844    0    0 16576     0   62  360  2  2 76 21  0
 0  1      0 7691544   2380 143472    0    0 32640     0   46  439  1  3 50 46  0
 0  1      0 7658736   2380 176204    0    0 32640     0   54  407  1  4 50 46  0
 0  1      0 7626052   2380 208908    0    0 32640    40   44  422  2  2 50 46  0

觀察 vmstat 的輸出，你會發(fā)現(xiàn)讀取文件時（也就是bi大于0時），Buffer保持不變，而Cache則在不停增長。這跟我們查到的定義“Cache是對文件讀的頁緩存”是一致的。

那么，磁盤讀又是什么情況呢？

我們再運行第二個案例來看看：首先，回到第二個終端，運行下面的命令。

清理緩存后，從磁盤分區(qū) /dev/sda1中讀取數(shù)據(jù)，寫入空設備：

# 首先清理緩存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 運行dd命令讀取文件
$ dd if=/dev/sda1 of=/dev/null bs=1M count=1024

然后，再回到終端一，觀察內(nèi)存和I/O的變化情況：

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      0 7225880   2716 608184    0    0     0     0   48  159  0  0 100  0  0
 0  1      0 7199420  28644 608228    0    0 25928     0   60  252  0  1 65 35  0
 0  1      0 7167092  60900 608312    0    0 32256     0   54  269  0  1 50 49  0
 0  1      0 7134416  93572 608376    0    0 32672     0   53  253  0  0 51 49  0
 0  1      0 7101484 126320 608480    0    0 32748     0   80  414  0  1 50 49  0

觀察 vmstat 的輸出，你會發(fā)現(xiàn)讀磁盤時（也就是bi大于0時），Buffer和Cache都在增長，但顯然Buffer的增長快很多。這說明讀磁盤時，數(shù)據(jù)緩存到了 Buffer 中。

當然，我想，經(jīng)過上一個場景中兩個案例的分析，你自己也可以對比得出這個結(jié)論：讀文件時數(shù)據(jù)會緩存到 Cache 中，而讀磁盤時數(shù)據(jù)會緩存到 Buffer 中。

到這里你應該發(fā)現(xiàn)了，雖然文檔提供了對Buffer和Cache的說明，但是仍不能覆蓋到所有的細節(jié)。比如說，今天我們了解到的這兩點：

• Buffer既可以用作“將要寫入磁盤數(shù)據(jù)的緩存”，也可以用作“從磁盤讀取數(shù)據(jù)的緩存”。
• Cache既可以用作“從文件讀取數(shù)據(jù)的頁緩存”，也可以用作“寫文件的頁緩存”。

這樣，我們就回答了案例開始前的兩個問題：簡單來說，Buffer是對磁盤數(shù)據(jù)的緩存，而Cache是文件數(shù)據(jù)的緩存，它們既會用在讀請求中，也會用在寫請求中。