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linux page buffer cache深入理解

Page cache和buffer cache一直以來(lái)是兩個(gè)比較容易混淆的概念，在網(wǎng)上也有很多人在爭(zhēng)辯和猜想這兩個(gè)cache到底有什么區(qū)別，討論到最后也一直沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一和正確的結(jié)論，在我工作的這一段時(shí)間，page cache和buffer cache的概念曾經(jīng)困擾過(guò)我，但是仔細(xì)分析一下，這兩個(gè)概念實(shí)際上非常的清晰。如果能夠了解到這兩個(gè)cache的本質(zhì)，那么我們?cè)诜治鰅o問(wèn)題的時(shí)候可能會(huì)更加得心應(yīng)手。
Page cache實(shí)際上是針對(duì)文件系統(tǒng)的，是文件的緩存，在文件層面上的數(shù)據(jù)會(huì)緩存到page cache。文件的邏輯層需要映射到實(shí)際的物理磁盤(pán)，這種映射關(guān)系由文件系統(tǒng)來(lái)完成。當(dāng)page cache的數(shù)據(jù)需要刷新時(shí)，page cache中的數(shù)據(jù)交給buffer cache，但是這種處理在2.6版本的內(nèi)核之后就變的很簡(jiǎn)單了，沒(méi)有真正意義上的cache操作。

Buffer cache是針對(duì)磁盤(pán)塊的緩存，也就是在沒(méi)有文件系統(tǒng)的情況下，直接對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)會(huì)緩存到buffer cache中，例如，文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)都會(huì)緩存到buffer cache中。
簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，page cache用來(lái)緩存文件數(shù)據(jù)，buffer cache用來(lái)緩存磁盤(pán)數(shù)據(jù)。在有文件系統(tǒng)的情況下，對(duì)文件操作，那么數(shù)據(jù)會(huì)緩存到page cache，如果直接采用dd等工具對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)，那么數(shù)據(jù)會(huì)緩存到buffer cache。

補(bǔ)充一點(diǎn)，在文件系統(tǒng)層每個(gè)設(shè)備都會(huì)分配一個(gè)def_blk_ops的文件操作方法，這是設(shè)備的操作方法，在每個(gè)設(shè)備的inode下面會(huì)存在一個(gè)radix tree，這個(gè)radix tree下面將會(huì)放置緩存數(shù)據(jù)的page頁(yè)。這個(gè)page的數(shù)量將會(huì)在top程序的buffer一欄中顯示。如果設(shè)備做了文件系統(tǒng)，那么會(huì)生成一個(gè)inode，這個(gè)inode會(huì)分配ext3_ops之類(lèi)的操作方法，這些方法是文件系統(tǒng)的方法，在這個(gè)inode下面同樣存在一個(gè)radix tree，這里會(huì)緩存文件的page頁(yè)，緩存頁(yè)的數(shù)量在top程序的cache一欄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從上面的分析可以看出，2.6內(nèi)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(duì)文件的cache，buffer是針對(duì)磁盤(pán)塊數(shù)據(jù)的cache，僅此而已。

buffer 與cache 的區(qū)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(xì)的解釋參考：Difference Between Buffer and Cache
對(duì)于共享內(nèi)存（Shared memory），主要用于在UNIX 環(huán)境下不同進(jìn)程之間共享數(shù)據(jù)，是進(jìn)程間通信的一種方法，一般的應(yīng)用程序不會(huì)申請(qǐng)使用共享內(nèi)存，筆者也沒(méi)有去驗(yàn)證共享內(nèi)存對(duì)上面等式的影響。如果你有興趣，請(qǐng)參考：What is Shared Memory？

cache 和 buffer的區(qū)別：
Cache：高速緩存，是位于CPU與主內(nèi)存間的一種容量較小但速度很高的存儲(chǔ)器。由于CPU的速度遠(yuǎn)高于主內(nèi)存，CPU直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)要等待一定時(shí)間周期，Cache中保存著CPU剛用過(guò)或循環(huán)使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)CPU再次使用該部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)可從Cache中直接調(diào)用，這樣就減少了CPU的等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)的效率。Cache又分為一級(jí)Cache（L1 Cache）和二級(jí)Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU內(nèi)部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，現(xiàn)在也都集成在CPU內(nèi)部，常見(jiàn)的容量有256KB或512KB L2 Cache.
Buffer：緩沖區(qū)，一個(gè)用于存儲(chǔ)速度不同步的設(shè)備或優(yōu)先級(jí)不同的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的區(qū)域。通過(guò)緩沖區(qū)，可以使進(jìn)程之間的相互等待變少，從而使從速度慢的設(shè)備讀入數(shù)據(jù)時(shí)，速度快的設(shè)備的操作進(jìn)程不發(fā)生間斷。

Free中的buffer和cache：（它們都是占用內(nèi)存）：
buffer ：作為buffer cache的內(nèi)存，是塊設(shè)備的讀寫(xiě)緩沖區(qū)
cache：作為page cache的內(nèi)存，文件系統(tǒng)的cache
如果 cache 的值很大，說(shuō)明cache住的文件數(shù)很多。如果頻繁訪問(wèn)到的文件都能被cache住，那么磁盤(pán)的讀IO 必會(huì)非常小。

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