Linux系统中的Page cache和Buffer cache

Linux系统中的Page cache和Buffer cache

Free命令显示内存

首先,我们来了解下内存的使用情况

  • Mem:表示物理内存统计。
  • total:表示物理内存总量(total = used + free)。
  • used:表示总计分配给缓存(包含buffers 与cache )使用的数量,但其中可能部分缓存并未实际使用。
  • free:未被分配的内存。
  • shared:共享内存。
  • buffers:系统分配但未被使用的buffers数量。
  • cached:系统分配但未被使用的cache数量。
  • -/+ buffers/cache:表示物理内存的缓存统计。
  • used2:也就是第一行中的used – buffers - cached也是实际使用的内存总量。 // used2为第二行
  • free2 = buffers1 + cached1 + free1 // free2为第二行,buffers1等为第一行
  • free2:未被使用的buffers与cache和未被分配的内存之和,这就是系统当前实际可用内存。
  • Swap:表示硬盘上交换分区的使用情况。


在Free命令中显示的buffer和cache,它们都是占用内存:

buffer : 作为buffer cache的内存,是块设备的读写缓冲区,更靠近存储设备,或者直接就是disk的缓冲区。

cache: 作为page cache的内存, 文件系统的cache,是memory的缓冲区 。

如果cache 的值很大,说明cache住的文件数很多。如果频繁访问到的文件都能被cache住,那么磁盘的读IO 必会非常小 。


Page cache(页面缓存)

Page cache 也叫页缓冲或文件缓冲,是由好几个磁盘块构成,大小通常为4k,在64位系统上为8k,构成的几个磁盘块在物理磁盘上不一定连续,文件的组织单位为一页, 也就是一个page cache大小,文件读取是由外存上不连续的几个磁盘块,到buffer cache,然后组成page cache,然后供给应用程序。


Page cache在linux读写文件时,它用于缓存文件的逻辑内容,从而加快对磁盘上映像和数据的访问。具体说是加速对文件内容的访问,buffer cache缓存文件的具体内容——物理磁盘上的磁盘块,这是加速对磁盘的访问。


Buffer cache(块缓存)

Buffer cache 也叫块缓冲,是对物理磁盘上的一个磁盘块进行的缓冲,其大小为通常为1k,磁盘块也是磁盘的组织单位。设立buffer cache的目的是为在程序多次访问同一磁盘块时,减少访问时间。系统将磁盘块首先读入buffer cache,如果cache空间不够时,会通过一定的策略将一些过时或多次未被访问的buffer cache清空。程序在下一次访问磁盘时首先查看是否在buffer cache找到所需块,命中可减少访问磁盘时间。不命中时需重新读入buffer cache。对buffer cache的写分为两种,一是直接写,这是程序在写buffer cache后也写磁盘,要读时从buffer cache上读,二是后台写,程序在写完buffer cache后并不立即写磁盘,因为有可能程序在很短时间内又需要写文件,如果直接写,就需多次写磁盘了。这样效率很低,而是过一段时间后由后台写,减少了多次访磁盘的时间。


Buffer cache是由物理内存分配,Linux系统为提高内存使用率,会将空闲内存全分给buffer cache ,当其他程序需要更多内存时,系统会减少cache大小。


Buffer page(缓冲页)

如果内核需要单独访问一个块,就会涉及到buffer page,并会检查对应的buffer head。


Swap space(交换空间)

Swap space交换空间,是虚拟内存的表现形式。系统为了应付一些需要大量内存的应用,而将磁盘上的空间做内存使用,当物理内存不够用时,将其中一些暂时不需的数据交换到交换空间,也叫交换文件或页面文件中。做虚拟内存的好处是让进程以为好像可以访问整个系统物理内存。因为在一个进程访问数据时,其他进程的数据会被交换到交换空间中。


Swap cache(交换缓存)

swap cache,它表示交换缓存的大小。Page cache是磁盘数据在内存中的缓存,而swap cache则是交换分区在内存中的临时缓存。


Memory mapping(内存映射)

内核有两种类型的内存映射:共享型(shared)和私有型(private)。私有型是当进程为了只读文件,而不写文件时使用,这时,私有映射更加高效。 但是,任何对私有映射页的写操作都会导致内核停止映射该文件中的页。所以,写操作既不会改变磁盘上的文件,对访问该文件的其它进程也是不可见的。


共享内存中的页通常都位于page cache,私有内存映射只要没有修改,也位于page cache。当进程试图修改一个私有映射内存页时,内核就把该页进行复制,并在页表中用复制的页替换原来的页。由于修改了页表,尽管原来的页仍然在 page cache,但是已经不再属于该内存映射。而新复制的页也不会插入page cache,而是添加到匿名页反向映射数据结构。


Page cache和Buffer cache的区别

磁盘的操作有逻辑级(文件系统)和物理级(磁盘块),这两种Cache就是分别缓存逻辑和物理级数据的。


假设我们通过文件系统操作文件,那么文件将被缓存到Page Cache,如果需要刷新文件的时候,Page Cache将交给Buffer Cache去完成,因为Buffer Cache就是缓存磁盘块的。


也就是说,直接去操作文件,那就是Page Cache区缓存,用dd等命令直接操作磁盘块,就是Buffer Cache缓存的东西。


Page cache实际上是针对文件系统的,是文件的缓存,在文件层面上的数据会缓存到page cache。文件的逻辑层需要映射到实际的物理磁盘,这种映射关系由文件系统来完成。当page cache的数据需要刷新时,page cache中的数据交给buffer cache,但是这种处理在2.6版本的内核之后就变的很简单了,没有真正意义上的cache操作。


Buffer cache是针对磁盘块的缓存,也就是在没有文件系统的情况下,直接对磁盘进行操作的数据会缓存到buffer cache中,例如,文件系统的元数据都会缓存到buffer cache中。


简单说来,page cache用来缓存文件数据,buffer cache用来缓存磁盘数据。在有文件系统的情况下,对文件操作,那么数据会缓存到page cache,如果直接采用dd等工具对磁盘进行读写,那么数据会缓存到buffer cache。


Buffer(Buffer Cache)以块形式缓冲了块设备的操作,定时或手动的同步到硬盘,它是为了缓冲写操作然后一次性将很多改动写入硬盘,避免频繁写硬盘,提高写入效率。


Cache(Page Cache)以页面形式缓存了文件系统的文件,给需要使用的程序读取,它是为了给读操作提供缓冲,避免频繁读硬盘,提高读取效率。


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编辑于 2018-04-03