Linux系統中的Page cache和Buffer cache

Linux中有兩個很容易混淆的概念,pagecache和buffercache,首先簡單將一些Linux系統下內存的分布,使用free -m命令可以查看內存分布情況:

[root@localhost ~]# free -m
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           3770        1148        1252          17        1369        2377
Swap:          3967           0        3967

內存分布示意圖:

一些名詞的解釋:

Mem：表示物理內存統計。
total：表示物理內存總量(total = used + free)。
used：表示總計分配給緩存（包含buffers 與cache ）使用的數量，但其中可能部分緩存並未實際使用。
free：未被分配的內存。
shared：共享內存。
buffers：系統分配但未被使用的buffers數量。
cached：系統分配但未被使用的cache數量。
-/+ buffers/cache：表示物理內存的緩存統計。
used2：也就是第一行中的used – buffers - cached也是實際使用的內存總量。 // used2為第二行
free2 = buffers1 + cached1 + free1 // free2為第二行，buffers1等為第一行
free2：未被使用的buffers與cache和未被分配的內存之和，這就是系統當前實際可用內存。
Swap：當內存上放不下新加入的數據時,會將原有的部分資源交換到磁盤上,這塊地方就叫swap,表示硬盤上交換分區的使用情況。

在Free命令中顯示的buffer和cache，它們都是占用內存：

buffer : 作為buffer cache的內存，是塊設備的讀寫緩沖區，更靠近存儲設備，或者直接就是disk的緩沖區,通常是解決的是速度快的設備到速度慢的設備速度不匹配的問題。

cache: 作為page cache的內存, 文件系統的cache，是memory的緩沖區,主要解決慢設備到快設備速度不匹配的問題。

如果cache 的值很大，說明cache住的文件數很多,也就意味着程序需要的數據大多都在內存上,而不用去磁盤訪問，那么磁盤的讀IO 必會非常小 。

Page cache與Buffer Cache作用

page cache :頁緩存,負責緩存邏輯數據。

buffer cache : 塊緩存,負責緩存物理數據。

文件存儲在磁盤上,存儲最小單位是扇區,大小為0.5kb,磁盤讀取數據到內存時不會一個一個扇區的讀,這樣效率太低,而是先將扇區組成小塊,這個小塊就是buffer cache，大小為1kb,然后將塊組織成頁(pagecache,4kb)。

讀取數據具體流程是:先去讀取buffer cache,如果cache空間不夠，會通過一定的策略將一些過時或多次未被訪問的buffer cache清空。程序在下一次訪問磁盤時首先查看是否在buffer cache找到所需塊，命中可減少訪問磁盤時間。不命中時需重新讀入buffer cache。

對buffer cache的寫分為兩種，一是直接寫，這是程序在寫buffer cache后也寫磁盤，要讀時從buffer cache上讀，二是后台寫，程序在寫完buffer cache后並不立即寫磁盤，因為有可能程序在很短時間內又需要寫文件，如果直接寫，就需多次寫磁盤了。這樣效率很低，而是過一段時間后由后台寫，減少了多次訪磁盤的時間。

Page cache在linux讀寫文件時，它用於緩存文件的邏輯內容，從而加快對磁盤上映像和數據的訪問。具體說是加速對文件內容的訪問，buffer cache緩存文件的具體內容——物理磁盤上的磁盤塊，這是加速對磁盤的訪問。

Buffer cache是由物理內存分配，Linux系統為提高內存使用率，會將空閑內存全分給buffer cache ，當其他程序需要更多內存時，系統會減少cache大小。

Page cache和Buffer cache的區別

磁盤的操作有邏輯級（文件系統）和物理級（磁盤塊），這兩種Cache就是分別緩存邏輯和物理級數據的。

假設我們通過文件系統操作文件，那么文件將被緩存到Page Cache，如果需要刷新文件的時候，Page Cache將交給Buffer Cache去完成，因為Buffer Cache就是緩存磁盤塊的。

也就是說，直接去操作文件，那就是Page Cache區緩存，用dd等命令直接操作磁盤塊，就是Buffer Cache緩存的東西。

Page cache實際上是針對文件系統的，是文件的緩存，在文件層面上的數據會緩存到page cache。文件的邏輯層需要映射到實際的物理磁盤，這種映射關系由文件系統來完成。當page cache的數據需要刷新時，page cache中的數據交給buffer cache，但是這種處理在2.6版本的內核之后就變的很簡單了，沒有真正意義上的cache操作。

Buffer cache是針對磁盤塊的緩存，也就是在沒有文件系統的情況下，直接對磁盤進行操作的數據會緩存到buffer cache中，例如，文件系統的元數據都會緩存到buffer cache中。

簡單說來，page cache用來緩存文件數據，buffer cache用來緩存磁盤數據。在有文件系統的情況下，對文件操作，那么數據會緩存到page cache，如果直接采用dd等工具對磁盤進行讀寫，那么數據會緩存到buffer cache。

Buffer(Buffer Cache)以塊形式緩沖了塊設備的操作，定時或手動的同步到硬盤，它是為了緩沖寫操作然后一次性將很多改動寫入硬盤，避免頻繁寫硬盤，提高寫入效率。

Cache(Page Cache)以頁面形式緩存了文件系統的文件，給需要使用的程序讀取，它是為了給讀操作提供緩沖，避免頻繁讀硬盤，提高讀取效率。