Linux中cache和buff的区别
我们用free查询到当前内存的使用情况的命令时,总会有一个buff/cache让我们很困惑,接下来就详细讲讲Buff和Cache的区别。
一、buffer/cache两者区别
buffer指Linux内存的:Buffer cache。翻译成中文可以叫做缓冲区缓存。 是内核缓冲区用到的内存,对应的是 /proc/meminfo 中的 Buffers 值。
cache指Linux内存中的:Page cache。翻译成中文可以叫做页面缓存。是内核页缓存Slab 用到的内存,对应的是 /proc/meminfo 中的 Cached 与 SReclaimable 之和。
我们可以通过命令man proc,查看关于Buffer和Cache的具体解释
如果查看不了,请安装man-pages
yum install -y man-pages
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.
翻译:
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。合并这里似乎和大数据生态中的Hadoop组件中的小文件合并有相似。
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。
二、如何划分buffer/cache(已使用 or 空闲)
1、操作系统的角度:这块内存确实被操作系统使用了。
2、用户角度:如果用户要使用,这块内存是可以很快被回收而被用户空间程序使用,因此从用户角度而言这块内存应被划为空闲状态。
三、buff/cache的好处:
这是Linux一种非常优秀的设计,目的就是为了提升磁盘IO的性能,从低速的块设备上读取的数据会暂时保存在内存中,即使数据在当时已经不再需要了,但在应用程序下一次访问该数据时,它可以从内存中直接读取,绕开了低速的块设备,从而提高系统的整体性能。
为了提高系统性能和不浪费内存,linux把多的内存做了cache,以提高io速度.你的那些内存并没有被占用。
四、清除缓存
# 1表示清除pagecache。
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches# 2表示清除回收slab分配器中的对象(包括目录项缓存和inode缓存)。
# slab分配器是内核中管理内存的一种机制,其中很多缓存数据实现都是用的pagecache。
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches# 3表示清除pagecache和slab分配器中的缓存对象。3等于1和2
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
/proc/sys/vm/drop_caches 的值默认为0(所以我们清空后,还再恢复它的值为0)
五、实验验证
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:
# 每隔 1 秒输出 1 组数据
$ 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
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
【写文件】
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:
# 先清理缓存
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
$ 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 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,你会看到,
- 在 Cache 刚开始增长时,块设备 I/O 很少,bi 只出现了一次 488 KB/s,bo 则只有一次 4KB。而过一段时间后,才会出现大量的块设备写,比如 bo 变成了 122880。
- 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。
把这个结果,跟我们刚刚了解到的 Cache 的定义做个对比,你可能会有点晕乎。为什么前面文档上说 Cache 是文件读的页缓存,怎么现在写文件也有它的份?
这个疑问,我们暂且先记下来,接着再来看另一个磁盘写的案例。两个案例结束后,我们再统一进行分析。
【写磁盘】
# 首先清理缓存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 然后运行 dd 命令向磁盘分区 /dev/sdb1 写入 2G 数据
$ dd if=/dev/urandom of=/dev/sdb bs=1M count=2048
然后,再回到终端一,观察内存和 I/O 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
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
从这里你会看到,虽然同是写数据,写磁盘跟写文件的现象还是不同的。写磁盘时(也就是 bo 大于 0 时),Buffer 和 Cache 都在增长,但显然 Buffer 的增长快得多。
这说明,写磁盘用到了大量的 Buffer,这跟我们在文档中查到的定义是一样的。
对比两个案例,我们发现,写文件时会用到 Cache 缓存数据,而写磁盘则会用到 Buffer 来缓存数据。所以,回到刚刚的问题,虽然文档上只提到,Cache 是文件读的缓存,但实际上,Cache 也会缓存写文件时的数据。
场景 2:磁盘和文件读案例
了解了磁盘和文件写的情况,我们再反过来想,磁盘和文件读的时候,又是怎样的呢?
【读文件】
清理缓存后,从文件 /tmp/file 中,读取数据写入空设备:
# 首先清理缓存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 运行 dd 命令读取文件数据
$ dd if=/tmp/file of=/dev/null
然后,再回到终端一,观察内存和 I/O 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 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
观察 vmstat 的输出,你会发现读取文件时(也就是 bi 大于 0 时),Buffer 保持不变,而 Cache 则在不停增长。这跟我们查到的定义“Cache 是对文件读的页缓存”是一致的。
那么,磁盘读又是什么情况呢?我们再运行第二个案例来看看。
【读磁盘】
清理缓存后,从磁盘分区 /dev/sdb 中读取数据,写入空设备:
# 首先清理缓存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 运行 dd 命令读取文件
$ dd if=/dev/sdb of=/dev/null bs=1M count=1024
然后,再回到终端一,观察内存和 I/O 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 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
观察 vmstat 的输出,你会发现读磁盘时(也就是 bi 大于 0 时),Buffer 和 Cache 都在增长,但显然 Buffer 的增长快很多。这说明读磁盘时,数据缓存到了 Buffer 中。
通过以上两个案例分析得出以下结论:
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”。
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。
小结
今天,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。