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。

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:

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。

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:

# 清理文件页、目录项、Inodes等各种缓存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

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。

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:

$ dd if=/dev/urandom of=/tmp/file bs=1M count=500

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,

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:

# 首先清理缓存
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 运行dd命令读取文件数据
$ dd if=/tmp/file of=/dev/null

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:

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。

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。

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