缓存机制介绍

Linux 系统中，为了提高文件系统的读写性能¹，内核会利用一部分内存（相当大的剩余内存）分配缓存区，用于缓存系统操作和数据。当核外数据需要写入磁盘时，该 IO 请求将会被缓存起来，等到一个合适的时机一并写入到后端磁盘，这就是回写缓存；当核外需要读取磁盘数据时，此 IO 读请求将会一次性读取更多的数据保留到特定的缓存区域，这种预测下一次读取数据的位置方式叫做预读，他读到的数据也将保存到缓存中。他们都可以称之为缓存，缓存的核心是算法，后面的章节会稍微介绍一下当前 Linux 主流采用的缓存核心算法。缓存的好处显而易见，那么可以合并多个 IO 请求，从而减少 CPU 上下文的切换以及减少堆栈调用，同时可以提高磁盘访问效率。由于缓存的存在，内核的代码和数据结构不必单一的从磁盘读取，也不必一定强制要求立刻写入磁盘，因此页面缓存可能是下面这些类型：

普通文件数据的页
含有目录的页
含有直接从块设备文件（跳过文件系统层）读取的数据页
含有用户态进程数据的页，但页中数据已被交换到磁盘
数据特殊文件系统的页，比如进程间通信中的特殊文件系统 shm

下图是块设备的 I/O 操作流程，从图中可以看出具体的文件系统（如 ext4 等）负责文件在 Cache 和存储设备间交换数据，位于具体文件系统之上的虚拟文件系统 VFS 负责在应用程序和文件 Cache 之间通过 read/write 等接口交换数据。

页面 Cache 中每页所包含的数据是属于某个文件（准确的说应该是文件的 inode），所有的 read/write 都依赖于页面 Cache，当然，你设置了 O_DIRECT 标志的话，页面 Cache 就会被跳过²。

查看当前的系统的缓存区和内存使用情况

上面的命令看得出，该系统存在 32G 的内存，已使用了 280M，剩余 2450M。其中 buff/cache 一共占据了 29409M，也就是说其实现在的剩余空间之所以只剩下不到 2G 就是剩下的大约 29G 都被缓存占据了，不过该命令的最后一段给出的 available 告诉的就是当前系统可用内存还剩下 31G 左右，说明 buff/cache 是可以被回收掉的，他们也是属于可用内存的一种。

缓存区 buffers 和 caches 的区别

之前一直不太懂缓存区为何还分为 buffer 和 cache 段，查了很多资料，而且不太统一，甚至连内核下的 Document 下的描述也不是很清晰，而且我还觉得是不是写错了，综合各种渠道来源的资料，我贴出一种比较认可的说法。

buffers 是用来给块设备使用的缓存区，他只记录文件系统的 metadata 以及 tacking in-flight pages；cached 是用来给文件做缓冲。意思就是说，buffers 用来存储目录里面有什么内容和权限，而 cached 用来记忆我们打开的文件。我们稍微来做一个实验，还是之前的那一台机器，我们观察 /proc/meminfo 下面的相关选项的数据变化。

[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo
Buffers:          414412 kB
Cached:         29666920 kB

这是在当前什么都不做的情况下的一个内存使用情况，我省略了其他的部分，请仅仅关注 buffers 和 cached 这两个部分。此时我尝试 ls 观察一个目录，然后再 cat meminfo 这个文件，现在请看：

[root@localhost ~]# ls /
bin  boot  dev  etc  home  lib  lib64  lost+found  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin

[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo
Buffers:          414420 kB
Cached:         29666920 kB

可不可以看得到，cached 并没有发生变化，仅仅只是 buffers 字段数据增加了，说明在查看目录的时候，buffers 区域保存了这个目录的一些信息，所以他占用了大约 8kb 的内容，这里的页大小为 4kb，所以应该说是刚刚的操作导致 buffers 扩展了 2 个页，所以 buffers 这个很好理解，那么我们再来看看 cached 的作用。

首先我们清理掉整个系统的非在线缓存（没有正在被处理的缓存，可以被回收的缓存），echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches，然后读取当前的 meminfo 信息

[root@localhost ~]# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo
Buffers:            1080 kB
Cached:            58740 kB

然后执行文件读取，再观察 meminfo

[root@localhost ~]# dd if=/root/file1 of=/dev/null

[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo
Buffers:            1080 kB
Cached:            64168 kB

cached 字段发生了改变，是不是很清晰，当然，不仅仅是我演示的读文件会改变 cached 字段的大小，写同样也会增加或者改变这个字段的大小³，这里就不进行演示了。

释放缓存内存的方法

上面稍微提到了释放缓存区的一种方式，现在可以全面的总结如何回收缓存。

清理 pagecache（页面缓存）

[root@localhost ~]# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
或者
[root@localhost ~]# sysctl -w vm.drop_caches=1

清理 dentries（目录缓存）和 inodes

[root@localhost ~]# echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
或者
[root@localhost ~]# sysctl -w vm.drop_caches=2

清理 pagecache、dentries 和 inodes

[root@localhost ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
或者
[root@localhost ~]# sysctl -w vm.drop_caches=3

上面三种都是可以临时释放缓存的方法，要想永久释放缓存，需要在 /etc/sysctl.conf 中配置：vm.drop_caches=1/2/3，然后执行 sysctl -p 让设置生效即可！另外，可以使用 sync 命令来清理文件系统缓存，他还会清理掉僵尸（zombie）对象和他们所占用的内存。

vfs_cache_pressure 和 min_free_kbytes

从名字就可以看得出这两个接口的意义，一个是用来控制 cache 的回收倾向，一个是控制最小的可用 free 内存的大小,综合上面提到的 free 内存的计算方式，我们知道 free 内存就是可以交给其他程序使用的内存，这里不包括缓存，也就是说，设置这个 min_free_kbytes 的作用主要是为了防止缓存将所有的内存全部耗尽，而导致其他程序无法申请到内存而崩溃⁴。

vfs_cache_pressure 是用来表示内核在回收的时候，对于 dentries 和 inodes 内存的回收倾向，默认值为 100，表示会根据 pagecache 和 swapcache 给出一个合适的百分比；降低该值，将导致内核倾向于更多的保留 dentries 和 inodes 的缓存内存；提高该值，将导致内核更为激进的回收掉缓存。

in_free_kbytes 前文已经将他的作用稍微说明了一次，这里主要讲一讲他的默认值，在内核源码中，他的定义位于 mm/page_alloc.c 文件中。

/*
  * Initialise min_free_kbytes.
  *
  * For small machines we want it small (128k min).  For large machines
  * we want it large (64MB max).  But it is not linear, because network
  * bandwidth does not increase linearly with machine size.  We use
  *
  *      min_free_kbytes = 4 * sqrt(lowmem_kbytes), for better accuracy:
  *      min_free_kbytes = sqrt(lowmem_kbytes * 16)
  *
  * which yields
  *
  * 16MB:        512k
  * 32MB:        724k
  * 64MB:        1024k
  * 128MB:       1448k
  * 256MB:       2048k
  * 512MB:       2896k
  * 1024MB:      4096k
  * 2048MB:      5792k
  * 4096MB:      8192k
  * 8192MB:      11584k
  * 16384MB:     16384k
  */

通过一系列的运算，得到的如上面的表对应的一个值，左列为当前系统的内存大小，后面为 min_free_kbytes 的大小。