linux page buffer cache深入理解
2020-07-10 11:55:56
供稿：網友
Page cache和buffer cache一直以來是兩個比較容易混淆的概念，在網上也有很多人在爭辯和猜想這兩個cache到底有什么區別，討論到最后也一直沒有一個統一和正確的結論，在我工作的這一段時間，page cache和buffer cache的概念曾經困擾過我，但是仔細分析一下，這兩個概念實際上非常的清晰。如果能夠了解到這兩個cache的本質，那么我們在分析io問題的時候可能會更加得心應手。
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。
補充一點，在文件系統層每個設備都會分配一個def_blk_ops的文件操作方法，這是設備的操作方法，在每個設備的inode下面會存在一個radix tree，這個radix tree下面將會放置緩存數據的page頁。這個page的數量將會在top程序的buffer一欄中顯示。如果設備做了文件系統，那么會生成一個inode，這個inode會分配ext3_ops之類的操作方法，這些方法是文件系統的方法，在這個inode下面同樣存在一個radix tree，這里會緩存文件的page頁，緩存頁的數量在top程序的cache一欄進行統計。從上面的分析可以看出，2.6內核中的buffer cache和page cache在處理上是保持一致的，但是存在概念上的差別，page cache針對文件的cache，buffer是針對磁盤塊數據的cache，僅此而已。
buffer 與cache 的區別
A buffer is something that has yet to be “written” to disk. A cache is something that has been “read” from the disk and stored for later use.
更詳細的解釋參考：Difference Between Buffer and Cache
對于共享內存（Shared memory），主要用于在UNIX 環境下不同進程之間共享數據，是進程間通信的一種方法，一般的應用程序不會申請使用共享內存，筆者也沒有去驗證共享內存對上面等式的影響。如果你有興趣，請參考：What is Shared Memory？
cache 和 buffer的區別：
Cache：高速緩存，是位于CPU與主內存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。由于CPU的速度遠高于主內存，CPU直接從內存中存取數據要等待一定時間周期，Cache中保存著CPU剛用過或循環使用的一部分數據，當CPU再次使用該部分數據時可從Cache中直接調用，這樣就減少了CPU的等待時間，提高了系統的效率。Cache又分為一級Cache（L1 Cache）和二級Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU內部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，現在也都集成在CPU內部，常見的容量有256KB或512KB L2 Cache.
Buffer：緩沖區，一個用于存儲速度不同步的設備或優先級不同的設備之間傳輸數據的區域。通過緩沖區，可以使進程之間的相互等待變少，從而使從速度慢的設備讀入數據時，速度快的設備的操作進程不發生間斷。
Free中的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
cache：作為page cache的內存， 文件系統的cache
如果 cache 的值很大，說明cache住的文件數很多。如果頻繁訪問到的文件都能被cache住，那么磁盤的讀IO 必會非常小。
