16 基础篇：怎么理解内存中的Buffer和Cache？
你好，我是倪朋飞。
上一节，我们梳理了 Linux 内存管理的基本原理，并学会了用 free 和 top 等工具，来查看系统和进程的内存使用情况。
内存和 CPU 的关系非常紧密，而内存管理本身也是很复杂的机制，所以感觉知识很硬核、很难啃，都是正常的。但还是那句话，初学时不用非得理解所有内容，继续往后学，多理解相关的概念并配合一定的实践之后，再回头复习往往会容易不少。当然，基本功不容放弃。
在今天的内容开始之前，我们先来回顾一下系统的内存使用情况，比如下面这个 free 输出界面：
# 注意不同版本的free输出可能会有所不同
$ free
total used free shared buff/cache available
Mem: 8169348 263524 6875352 668 1030472 7611064
Swap: 0 0 0
显然，这个界面包含了物理内存Mem和交换分区Swap的具体使用情况，比如总内存、已用内存、缓存、可用内存等。其中缓存是 Buffer和Cache两部分的总和 。
这里的大部分指标都比较容易理解，但 Buffer和 Cache可能不太好区分。从字面上来说，Buffer是缓冲区，而Cache是缓存，两者都是数据在内存中的临时存储。那么，你知道这两种“临时存储”有什么区别吗？
注：今天内容接下来的部分，Buffer和Cache我会都用英文来表示，避免跟文中的“缓存”一词混淆。而文中的“缓存”，则通指内存中的临时存储。
free数据的来源
在我正式讲解两个概念前，你可以先想想，你有没有什么途径来进一步了解它们？除了中文翻译直接得到概念，别忘了，Buffer和Cache还是我们用free获得的指标。
还记得我之前讲过的，碰到看不明白的指标时该怎么办吗？
估计你想起来了，不懂就去查手册。用 man 命令查询 free 的文档，就可以找到对应指标的详细说明。比如，我们执行 man free ，就可以看到下面这个界面。
buffers
Memory used by kernel buffers (Buffers in /proc/meminfo)
cache Memory used by the page cache and slabs (Cached and SReclaimable in /proc/meminfo)
buff/cache
Sum of buffers and cache
从free的手册中，你可以看到 buffer 和 cache 的说明。
- Buffers 是内核缓冲区用到的内存，对应的是
/proc/meminfo中的 Buffers 值。 - Cache 是内核页缓存和Slab用到的内存，对应的是
/proc/meminfo中的 Cached 与 SReclaimable 之和。
这里的说明告诉我们，这些数值都来自 /proc/meminfo，但更具体的 Buffers、Cached和SReclaimable 的含义，还是没有说清楚。
要弄明白它们到底是什么，我估计你第一反应就是去百度或者 Google一下。虽然大部分情况下，网络搜索能给出一个答案。但是，且不说筛选信息花费的时间精力，对你来说，这个答案的准确性也是很难保证的。
要注意，网上的结论可能是对的，但是很可能跟你的环境并不匹配。最简单来说，同一个指标的具体含义，就可能因为内核版本、性能工具版本的不同而有挺大差别。这也是为什么，我总在专栏中强调通用思路和方法，而不是让你死记结论。对于案例实践来说，机器环境就是我们的最大限制。
那么，有没有更简单、更准确的方法，来查询它们的含义呢？
proc文件系统
我在前面 CPU 性能模块就曾经提到过，/proc 是 Linux 内核提供的一种特殊文件系统，是用户跟内核交互的接口。比方说，用户可以从 /proc 中查询内核的运行状态和配置选项，查询进程的运行状态、统计数据等，当然，你也可以通过 /proc 来修改内核的配置。
proc 文件系统同时也是很多性能工具的最终数据来源。比如我们刚才看到的 free ，就是通过读取/proc/meminfo，得到内存的使用情况。
继续说回/proc/meminfo，既然 Buffers、Cached、SReclaimable 这几个指标不容易理解，那我们还得继续查 proc 文件系统，获取它们的详细定义。
执行 man proc，你就可以得到 proc 文件系统的详细文档。
注意这个文档比较长，你最好搜索一下（比如搜索 meminfo），以便更快定位到内存部分。
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.
通过这个文档，我们可以看到：
- 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。
- 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。
好了，我们终于找到了这三个指标的详细定义。到这里，你是不是长舒一口气，满意地想着，总算弄明白Buffer 和 Cache了。不过，知道这个定义就真的理解了吗？这里我给你提了两个问题，你先想想能不能回答出来。
第一个问题，Buffer 的文档没有提到这是磁盘读数据还是写数据的缓存，而在很多网络搜索的结果中都会提到 Buffer 只是对将要写入磁盘数据的缓存。那反过来说，它会不会也缓存从磁盘中读取的数据呢？
第二个问题，文档中提到，Cache 是对从文件读取数据的缓存，那么它是不是也会缓存写文件的数据呢？
为了解答这两个问题，接下来，我将用几个案例来展示， Buffer 和 Cache 在不同场景下的使用情况。
案例
你的准备
跟前面实验一样，今天的案例也是基于 Ubuntu 18.04，当然，其他 Linux 系统也适用。我的案例环境是这样的。
- 机器配置：2 CPU，8GB 内存。
- 预先安装 sysstat 包，如 apt install sysstat。
之所以要安装 sysstat ，是因为我们要用到 vmstat ，来观察 Buffer 和 Cache 的变化情况。虽然从 /proc/meminfo 里也可以读到相同的结果，但毕竟还是 vmstat 的结果更加直观。
另外，这几个案例使用了 dd 来模拟磁盘和文件的 I/O，所以我们也需要观测 I/O 的变化情况。
上面的工具安装完成后，你可以打开两个终端，连接到 Ubuntu 机器上。
准备环节的最后一步，为了减少缓存的影响，记得在第一个终端中，运行下面的命令来清理系统缓存：
这里的 /proc/sys/vm/drop_caches ，就是通过 proc 文件系统修改内核行为的一个示例，写入 3 表示清理文件页、目录项、Inodes等各种缓存。这几种缓存的区别你暂时不用管，后面我们都会讲到。
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。
正常情况下，空闲系统中，你应该看到的是，这几个值在多次结果中一直保持不变。
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：
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。
不过，对于接下来的案例，我必须强调一点：
下面的命令对环境要求很高，需要你的系统配置多块磁盘，并且磁盘分区 /dev/sdb1 还要处于未使用状态。如果你只有一块磁盘，千万不要尝试，否则将会对你的磁盘分区造成损坏。
如果你的系统符合标准，就可以继续在第二个终端中，运行下面的命令。清理缓存后，向磁盘分区/dev/sdb1 写入2GB的随机数据：
# 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/sdb1 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？
我们回到第二个终端，运行下面的命令。清理缓存后，从文件/tmp/file中，读取数据写入空设备：
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。
首先，回到第二个终端，运行下面的命令。清理缓存后，从磁盘分区 /dev/sda1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/sda1 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。
当然，我想，经过上一个场景中两个案例的分析，你自己也可以对比得出这个结论：读文件时数据会缓存到 Cache 中，而读磁盘时数据会缓存到 Buffer 中。
到这里你应该发现了，虽然文档提供了对Buffer和Cache的说明，但是仍不能覆盖到所有的细节。比如说，今天我们了解到的这两点：
- 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”。
这样，我们就回答了案例开始前的两个问题。
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。
除了探索的内容本身，这个探索过程对你应该也有所启发。在排查性能问题时，由于各种资源的性能指标太多，我们不可能记住所有指标的详细含义。那么，准确高效的手段——查文档，就非常重要了。
你一定要养成查文档的习惯，并学会解读这些性能指标的详细含义。此外，proc 文件系统也是我们的好帮手。它为我们呈现了系统内部的运行状态，同时也是很多性能工具的数据来源，是辅助排查性能问题的好方法。
思考
最后，我想给你留一个思考题。
我们已经知道，可以使用 ps、top 或者 proc 文件系统，来获取进程的内存使用情况。那么，如何统计出所有进程的物理内存使用量呢？
提示：要避免重复计算多个进程同时占用的内存，像是页缓存、共享内存这类。如果你把 ps、top 得到的数据直接相加，就会出现重复计算的问题。
这里，我推荐从 /proc/<pid>/smaps 入手。前面内容里，我并没有直接讲过/proc/<pid>/smaps文件中各个指标含义，所以，需要你自己动手查 proc 文件系统的文档，解读并回答这个问题。
欢迎在留言区和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。
- 倪朋飞 👍（449） 💬（19）
关于磁盘和文件的区别，本来以为大家都懂了，所以没有细讲。磁盘是一个块设备，可以划分为不同的分区；在分区之上再创建文件系统，挂载到某个目录，之后才可以在这个目录中读写文件。 其实 Linux 中“一切皆文件”，而文章中提到的“文件”是普通文件，磁盘是块设备文件，这些大家可以执行 "ls -l <路径>" 查看它们的区别（输出的含义如果不懂请 man ls 查询）。 在读写普通文件时，会经过文件系统，由文件系统负责与磁盘交互；而读写磁盘或者分区时，就会跳过文件系统，也就是所谓的“裸I/O“。这两种读写方式所使用的缓存是不同的，也就是文中所讲的 Cache 和 Buffer 区别。 关于文件系统、磁盘以及 I/O 的原理，大家不要着急，后面 I/O 模块还会讲的。
2018-12-26 - Geek_5258f8 👍（241） 💬（11）
理论上，一个文件读首先到Block Buffer, 然后到Page Cache。有了文件系统才有了Page Cache. 在老的Linux上这两个Cache是分开的。那这样对于文件数据，会被Cache两次。这种方案虽然简单， 但低效。后期Linux把这两个Cache统一了。对于文件，Page Cache指向Block Buffer，对于非文件 则是Block Buffer。这样就如文件实验的结果，文件操作，只影响Page Cache，Raw操作，则只影响Buffer. 比如一此VM虚拟机，则会越过File System，只接操作 Disk, 常说的Direct IO.
2018-12-26 - croco 👍（59） 💬（2）
我好像明白了，就是/proc/<pid>/smaps中的Pss相加，因为Pss是私有内存+共享内存按比例属于自己计算的那一部分 比如私有内存是200k， 共享内存500k和4个其它进程共享，那么是Pss就是200k+（500/（1+4））=200k+100k=300k。 这样所有进程的Pss相加就不会有重复相加的顾虑，因为Pss中已经将共享内存部分帮我们算好了 参考命令：awk '/Pss:/{ sum += $2 } END { print sum }' /proc/$$/smaps
2019-06-13 - acm1204 👍（30） 💬（1）
socket buffer属于哪一类？
2019-04-08 - David.cui 👍（21） 💬（2）
数据库使用裸设备是明显的磁盘读写；如果数据库的数据文件在文件系统上就是文件读写。这样理解对么
2018-12-26 - JJ 👍（18） 💬（2）
还是有点困惑，感觉读写磁盘上的数据不就是读写磁盘上的文件里的数据嘛，难道读磁盘上的数据可以不经过文件系统吗，可以直接读裸磁盘？有点没理解buffer是磁盘上的数据缓存，cache是文件数据缓存，求大神解答下。。
2018-12-26 - 某、人 👍（14） 💬（1）
老师,是否绕开文件系统,直接对磁盘进行读写会更快呢？
2018-12-26 - Mr.Strive.Z.H.L 👍（13） 💬（3）
老师您好，有一个疑惑： 数据写入到page cache。后续应用程序强制刷盘或者系统自动刷盘的时候，page cache中的数据还会经过buffer，然后再到块设备吗？还是不会经过buffer，直接刷到块设备了？ （读取比较好理解，读取文件直接到page cache，读取块设备先到buffer，buffer不够再到page cache）
2019-01-22 - 吴林辉 👍（10） 💬（3）
“因为 Linux 中块的大小是 1KB，所以这个单位也就等价于 KB/s。”关于这一点，想请问下老师，linux block的大小不是4KB呢？
2019-02-18 - 无名老卒 👍（8） 💬（3）
看了这篇文章，终于理解 了buffers以及cache，之前在网上还专门查过这2者的区别，但就是像老师说的那样，文章看下来，啥也没有啥明白。 按照老师的总结，cache是针对文件系统的缓存 ，而buffers是对磁盘数据的缓存，是直接跟硬件那一层相关的，那一般来说，cache会比buffers的数量大了很多。生产环境下面看了多台机器，的确如此。 后面留的那个作业，如果要统计一个进程所占用的物理空间，我的做法是累加RSS的值。如下shell是我工作中所使用的命令，取内存占用top10的进程： for i in $( ls /proc/ |grep "^[0-9]"|awk '$0 >100') ;do cmd="";[ -f /proc/$i/cmdline ] && cmd=`cat /proc/$i/cmdline`;[ "$cmd"X = ""X ] && cmd=$i;awk -v i="$cmd" '/Rss:/{a=a+$2}END{printf("%s:%d\n",i,a)}' /proc/$i/smaps 2>/dev/null; done | sort -t: -k2nr | head -10
2018-12-27 - 虎虎❤️ 👍（8） 💬（2）
通过读csapp，又复习了下虚拟内存。其概念为 “虚拟内存组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。” 访问虚拟内存时，MMU通过访问页表，来索引到实际的存储地址。如果在物理内存中有缓存，直接从物理内存中读取数据。否则，从磁盘中读取，并选择牺牲一个物理页，并替换为新读取的页（当然，我觉得这种应该是在内存没有free的情况下）。如果被牺牲的页发生改变，则写回磁盘。最后更新页表。 我的问题是： 1. 上一节讲了虚拟内存的空间分布，那么物理内存有没有空间分布的概念？从vmstat的输出来看，物理内存是不是只包括buffer cache 和 free呢？ 2. 这里的cache是不是等同于虚拟内存在物理内存中的缓存？ 3. 上一节课所说的内存回收。使用LRU算法“回收缓存”，是否是我上面描述的概念？那么所谓的“回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中”，指的是交换出哪种内存？cache？buffer？或者其他的种类？ 希望得到老师回复，也欢迎各位大佬共同探讨。
2018-12-26 - 杜嘉嘉 👍（6） 💬（1）
想请教一下老师，怎么看待一个系统buffer和cache使用率过高的问题。是好是坏，如果这些缓存没及时回收可能会导致，程序异常
2019-02-21 - 魏春河 👍（6） 💬（1）
是不是普通文件系统最终还是要经过读写磁盘来完成保存？buffer在cache后面？
2018-12-26 - 小虎 👍（4） 💬（4）
老是如果使用mmap进行写文件的话是先写入缓存，假如此时断电那么cache里面的数据会丢失吗？或者说系统怎么保证断电下cache的数据在恢复用电后还可以写入文件不丢失。
2019-01-14 - 我来也 👍（4） 💬（1）
[D16打卡] 只有一块磁盘,就没轻易的试第二个案例. --------------------------------------------------- 以前应该只接触到了文件数据的缓存cache,没接触到磁盘数据的缓存buffer. 1.vim一个大文件,在第一次加载时较慢,之后再次打开时,会明显感觉到加载速度更快,应该就是cache的功劳. 2.在linux下写c程序时,打印日志printf后面习惯加fflush(stdout); 可以强制刷新缓冲区的内容到物理设备.在程序宕掉时可以定位到最后的输出日志. 如果不加fflush,可能会丢失掉部分缓冲区内的日志. 不知道这里的缓冲区跟系统的cache是不是一个概念. --------------------------------------------------- ls -l 磁盘与普通文件的区别: # ls -l /dev/sda1 brw-rw---- 1 root disk 8, 1 12月 12 10:17 /dev/sda1 # ls -ld /root/ drwx------ 12 root root 4096 12月 26 11:48 /root/ 第一个字符b应该表示是磁盘类型 d就是目录类型了 有一列一个显示的第几块磁盘的第几个分区[8,1],一个是占用的空间大小[4096]. 疑问:man ls 了也没看到各列具体的含义啊,这个去哪查呢? --------------------------------------------------- 老师最后的问题深入探索又是一篇长文了.哈哈!
2018-12-26