Linux系统的Swap Buffer和Cache

在Linux系统中，我们经常用free命令来查看系统内存的使用状态。在一个 CoreOS 的系统上，free命令的显示内容大概是这样一个状态：

core@localhost ~ $ free
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8145320      391200     333888      204616      7420232     311660
Swap:             0           0           0
这里的默认显示单位是kb，我们可以通过添加-h参数，来让free 命令显示的更为友好一些。

core@localhost ~ $ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          7.8Gi       381Mi       0.3Gi       199Mi       7.4Gi       0.3Gi
Swap:            0B          0B          0B
新版linux相对来说已经好很多了，在老版的时候，是没有available字段的。 所以放当时来说，大家可能会有下面几种反应：

1. 对于不太了解linux系统的人来说，看到 free 之后，会觉得内存用了好多，我都没跑什么程序，内存就用完了！Linux好占内存！
2. 稍微了解linux，并在百度搜索过相关知识的人也许会说，嗯，看起来free是没有多少了，但是真实内存才用了 400Mi 不到，还有很多剩余内存可用。buff/cache 占用比较多，说明系统中有进程曾经读写过文件，但是不要紧，这部分内存在系统内存吃紧的时候会释放出来的。

但是，上面两种说法都有些片面了，都不是很正确。接下来让我们重新来认识一下buff和cache。

什么是 buff/cache？

在Linux 2.4的内存管理中，buffer指Linux内存的：Buffer cache。cache指Linux内存中的：Page cache。一般呢，是这么解释两者的。

• A buffer is someting that has yet to be ‘written’ to disk.
• A cache is someting that has been ‘read’ from the disk and stored for later use.

翻译过来就是说：

1. buffer(buff) 是用来缓存尚未“写入”磁盘的内容。
2. cache 是用来缓存从磁盘“读取”出来的东西。

所以 buffer 被用来当成对io设备写的缓存。而 cache 被用来当作对io设备的读缓存。这里的io设备，主要指的是块设备文件和文件系统上的普通文件。

但是在 Linux 2.6 以后，它们的意义不一样了。

在Linux 2.6之后Linux将他们统一合并到了Page cache作为文件层的缓存。而buffer则被用作block层的缓存。 block层的缓存是什么意思呢，你可以认为一个buffer是一个physical disk block在内存的代表，用来将内存中的pages映射为disk blocks，这部分被使用的内存被叫做buffer。 

buffer里面的pages，指的是Page cache中的pages，所以，buffer也可以被认为Page cache的一部分。

或者简单来说，buffer负责裸设备相关的缓存，cache负责文件系统的缓存。

Buffer 的具体职责

在当前的系统实现里，buffer主要是设计用来在系统对块设备进行读写时作为缓存来使用。这意味着对块的操作会使用buffer进行缓存，比如我们在格式化文件系统的时候。

但是一般情况下两个缓存系统是一起配合使用的，比如当我们对一个文件进行写操作的时候，cache的内容会被改变，而buffer则用来将cache的page标记为不同的缓冲区，并记录是哪一个缓冲区被修改了。

这样，内核在后续执行脏数据的回写（writeback）时，就不用将整个page写回，而只需要写回修改的部分即可。

Cache 的具体职责

cache主要用来作为文件系统上的文件数据的缓存来用，当进程对文件有read/write操作的时候。包括将文件映射到内存的系统调用mmap，就会用到cache。

因为cache被作为文件类型的缓存来用，所以事实上也负责了大部分的块设备文件的缓存工作。

怎么回收 buff/cache？

Linux内核会在内存将要耗尽的时候，自动触发内存回收的工作，以便释放出内存给急需内存的进程使用。

但是这种回收的工作也并不是没有成本。

理解cache是干什么的就知道，cache中存在着一部分write操作的数据。所以必须保证cache中的数据跟对应文件中的数据一致，才能对cache进行释放。

于是伴随着cache清除的行为的，一般都是系统IO飙高。这是因为内核要将cache中缓存的write数据进行回写。

我们可以使用下面这个文件来人工触发缓存清除的操作，Linux 提供了三种清空方式：

1. echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches # 仅清除页面缓存
2. echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches # 清除目录项和inode
3. echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches # 清除页面缓存、目录项以及inode

但是这种放时只能在执行的当时起作用，过一段时间之后又会发现内存被占满，怎么办呢？

实际上内核提供了vm.vfs_cache_pressure参数用来控制缓冲区的回收频率，我们可以调整它。

这个参数是用来控制内核回收VFS缓存的频率。修改这个值会提高或者降低回收VFS缓存的频率。值可以设置为0-200中的任意值。越大回收频率越快，可以把vm.vfs_cache_pressure赋值为200来获得最快的回收频率。这个值默认值一般为100。

另外也可以使用slabtop分析内存使用情况。一般情况下，dentry和*_inode_cache值越高回收的效果越好。

为什么是dentry和*_inode_cache呢，这是因为当读写文件时内核会为该文件对象建立一个dentry，并将其缓存起来，方便下一次读写时直接从内存中取出提高效率。至于*_inode_cache我就不是很清楚了，只知道是为了加快对索引节点的索引，如果有清楚的可以告诉我一下。

测试一下

• 首先，我们先看一下目前的内存使用量

core@localhost ~ $ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          7.8Gi       383Mi       7.1Gi       199Mi       291Mi       7.0Gi
Swap:            0B          0B          0B

2. 生成一个文件测试一下

core@localhost ~ $ dd if=/dev/zero of=testfile bs=1M count=1000
1000+0 records in
1000+0 records out
1048576000 bytes (1.0 GB, 1000 MiB) copied, 1.39192 s, 753 MB/s

3. 检查一下内存的使用情况，是否和上面介绍的一样

core@localhost ~ $ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          7.8Gi       383Mi       6.1Gi       199Mi       1.3Gi       7.0Gi
Swap:            0B          0B          0B

4. 手动执行一下释放，看能否将内存释放出来

core@localhost ~ $ echo 1 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches
1

5. 检查一下内存是否被释放掉

core@localhost ~ $ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          7.8Gi       383Mi       7.1Gi       199Mi       291Mi       7.0Gi
Swap:            0B          0B          0B

6. 继续测试一下读取文件

core@localhost ~ $ time -p cat testfile > /dev/null
real 0.39
user 0.00
sys 0.27

7. 可以看到用时 0.39s，我们看下内存使用

core@localhost ~ $ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          7.8Gi       382Mi       6.1Gi       199Mi       1.3Gi       7.0Gi
Swap:            0B          0B          0B

8. 然后我们再次执行一下读取文件

core@localhost ~ $ time -p cat testfile > /dev/null
real 0.17
user 0.00
sys 0.17

9. 可以看到用时缩短到了 0.17s，这里需要说明一下的时由于我这边时固态硬盘，所以差距没这么大，如果是机械硬盘的话差距会进一步扩大。

[c-alert type=”info”]

红帽官方说明：

为什么缓存会占用如此多的内存？

• 根据 Linux 虚拟内存管理器，这种行为是正常的。要理解为什么高速缓存会变得如此之高，以及为什么这不是一个问题，必须了解 I/O 在 Linux 上的工作原理。当用户进程读取或写入文件时，它实际上是在主内存中修改该文件的副本。内核从磁盘创建该副本，并在必要时将更改写回其中。这些副本占用的内存称为缓存内存。
• 每当用户进程发起读取或写入时，都会消耗缓存内存。内核将查找用户正在操作的文件部分的副本，如果不存在这样的副本，它将分配一页新的高速缓存内存，并用从磁盘读取的适当内容填充它。如果用户只读取文件，则该页面将被标记为“干净”的缓存页面。然而，一旦用户写入文件，该页面就会被标记为“脏”。 ps 中出现的一个名为 pdflush 的内核线程将定期唤醒，并将所有标记为脏的页面复制回磁盘，然后再次将它们标记为干净。请注意，该页面仅被重新标记为干净，该页面在写回时不会被释放，但会保留下来，以防某些东西想要对其缓存的文件部分进行进一步的 IO。
• 仅当内核需要内存用于其他用途时，才会再次释放缓存页面。因为已经从磁盘读取缓存页可以加速 I/O，并且因为摆脱干净的缓存页与分配空闲页一样容易，并且因为空闲页对帮助系统执行和运行没有任何帮助，没有理由将缓存页变成空闲页。如果内存被缓存页面填满，下次内核需要内存时，它将简单地逐出最近最少使用的干净缓存页面并重新利用它们。

[/c-alert]