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linux page buffer cache深入理解

Page cache和buffer cache一直以來是兩個比較容易混淆的概念，在網(wǎng)上也有很多人在爭辯和猜想這兩個cache到底有什么區(qū)別，討論到最后也一直沒有一個統(tǒng)一和正確的結(jié)論，在我工作的這一段時間，page cache和buffer cache的概念曾經(jīng)困擾過我，但是仔細(xì)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(zhì)，那么我們在分析io問題的時候可能會更加得心應(yīng)手。
Page cache實際上是針對文件系統(tǒng)的，是文件的緩存，在文件層面上的數(shù)據(jù)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(guān)系由文件系統(tǒng)來完成。當(dāng)page cache的數(shù)據(jù)需要刷新時，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(tǒng)的情況下，直接對磁盤進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)會緩存到buffer cache中，例如，文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)都會緩存到buffer cache中。
簡單說來，page cache用來緩存文件數(shù)據(jù)，buffer cache用來緩存磁盤數(shù)據(jù)。在有文件系統(tǒng)的情況下，對文件操作，那么數(shù)據(jù)會緩存到page cache，如果直接采用dd等工具對磁盤進(jìn)行讀寫，那么數(shù)據(jù)會緩存到buffer cache。

補(bǔ)充一點，在文件系統(tǒng)層每個設(shè)備都會分配一個def_blk_ops的文件操作方法，這是設(shè)備的操作方法，在每個設(shè)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(shù)據(jù)的page頁。這個page的數(shù)量將會在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(tǒng)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(shù)量在top程序的cache一欄進(jìn)行統(tǒng)計。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針對文件的cache，buffer是針對磁盤塊數(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)用程序不會申請使用共享內(nèi)存，筆者也沒有去驗證共享內(nèi)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(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)要等待一定時間周期，Cache中保存著CPU剛用過或循環(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)時可從Cache中直接調(diào)用，這樣就減少了CPU的等待時間，提高了系統(tǒng)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(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，常見的容量有256KB或512KB L2 Cache.
Buffer：緩沖區(qū)，一個用于存儲速度不同步的設(shè)備或優(yōu)先級不同的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的區(qū)域。通過緩沖區(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，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，說明cache住的文件數(shù)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。

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