[转帖]Linux中的Page cache和Buffer cache详解

1、内存情况

在讲解Linux内存管理时已经提到，当你在Linux下频繁存取文件后，即使系统上没有运行许多程序，也会占用大量的物理内存。这是因为当你读写文件的时候，Linux内核为了提高读写的性能和速度，会将文件在内存中进行缓存，这部分内存就是Cache Memory(缓存内存)。即使你的程序运行结束后，Cache Memory 也不会自动释放，这就会导致你的Linux系统在频繁读写文件后，可用物理内存会很少。

可用 free 命令查看cache的大小：

1.1 第一行Men：

1. Mem：表示物理内存统计
2. total： 表示物理内存总量(total = used + free)
3. 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。
4. free：  未被分配的内存。
5. shared：共享内存。
6. buffers：系统分配但未被使用的buffers 数量。
7. cached：系统分配但未被使用的cache 数量。

1.2 第二行-/+ buffers/cache：表示物理内存的缓存统计

1. 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
2. free2= buffers1 + cached1 + free1      //free2为第二行、buffers1等为第一行
3. 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。

1.3 第三行Swap 表示硬盘上交换分区的使用情况。

1. used——已使用
   free——未使用

为了提高磁盘存取效率, Linux做了一些精心的设计, 除了对dentry进行缓存（用于VFS，加速文件路径名到inode的转换）， 还采取了两种主要Cache方式：Buffer Cache和Page Cache。前者针对磁盘块的读写，后者针对文件 inode 的读写。这些Cache有效缩短了 I/O系统调用（比如read,write,getdents）的时间。

2 内存类别

2.1 Buffer cache（块缓存）

块缓冲，通常1K，对应于一个磁盘块，用于减少磁盘IO

由物理内存分配，通常空闲内存全是bufferCache

应用层面，不直接与BufferCache交互，而是与PageCache交互（见下）

读文件：

直接从bufferCache中读取

写文件：

方法一，写bufferCache，后写磁盘

方法二，写bufferCache，后台程序合并写磁盘

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cahce大小。

2.2 Page cache（页面缓存）

页缓冲/文件缓冲，通常4K，由若干个磁盘块组成（物理上不一定连续），也即由若干个bufferCache组成

读文件：

可能不连续的几个磁盘块--->bufferCache--->pageCache--->应用程序进程空间

写文件：

pageCache--->bufferCache--->磁盘

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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 Swap cache（交换缓存）

swapcached，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。

2.6 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。

3 区别

3.1 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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