Linux缓存机制

说明

• 为了加快高速设备访问低速设备的访问速度，Linux通过缓存的方式实现高速设备对低速设备上数据的映射访问，以减少低速设备的访问次数，提高平均访问速度。

常见场景

CPU/内存

• CPU速度远远大于内存读取速度，为了加快内存的访问速度，CPU硬件上存在一级缓存，二级缓存，甚至三级缓存，读写速度快于内存访问，缓存部分读写频繁的内存数据，也叫做CPU Cache。

内存/硬盘

• 内存读写速度远远快于硬盘，如果每次读写都去直接操作磁盘，一方面操作速度会被限制，一方面也会降低磁盘使用寿命，因此不管是对磁盘的读操作还是写操作，操作系统都会将数据缓存起来。
• 内存缓存很重要，如果每次都直接操作磁盘，很容易将磁盘写坏，例如：循环录像。

内存缓存分类

• 内存缓存根据用途分为：

1. 文件读写的buffer和Cache，由于虚拟内存是通过页的形式管理的，而buffer和Cache也是以内存页为单位，因此也叫做Page Cache。
2. 虚拟文件系统VFS的目录项（Dentry）和索引结点（Inode）数据。
3. 交换空间swap的swap Cache。
4. …

buffer和Cache

• Page Cache根据文件操作是读还是写分为两类：buffer(缓冲区)和cache(缓存区)。
• 由中文命名可知它们的用途，缓冲区重点在于冲是防止写入大量数据对硬盘造成冲击，因此是写数据时作为缓冲，而缓存区重点在于存是用于数据备份和缓存命中，因此是读数据时作为缓存。
• buffer和Cache的大小可以通过free命令或者/proc/meminfo查看。

xxx@chejiser:~$ free -m
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:        128922     125157       3764         25      20418      79372
-/+ buffers/cache:      25365     103556
Swap:       123977       1121     122856
xxx@chejiser:~$ cat /proc/meminfo 
MemTotal:       132016204 kB
MemFree:         3857000 kB
MemAvailable:   129307976 kB
Buffers:        20908916 kB   //buffer大小
Cached:         81277832 kB   //Cache大小
...

理解

• 所有的文件IO（包括网络文件）都是直接和内存页缓存交互，操作系统通过一系列机制，实现文件访问到内存页访问的映射，很大一部分程度上，文件读写的优化就是对页缓存使用的优化。

Dentry和Inode

• 内存中不仅仅缓存了磁盘读写的Page Cache，也缓存了文件读写时必要的信息：虚拟文件系统中的目录项（Dentry）和索引结点（Inode）。
• 内存占用查看如下：

* Dentry和Inode保存在内核Slab中，可通过meminfo查看Slab内存占用
xxx@chejiser:~$ cat /proc/meminfo 
....
Slab:               3964 kB //slab 内存占用
SReclaimable:       1320 kB //可回收slab占用
....
* 再查看Dentry和Inode占用
xxx@chejiser:~$ slabtop //slabtop是通过/proc/slabinfo获取的信息
...
xxx@chejiser:~$ cat /proc/slabinfo 
slabinfo - version: 2.1
# name                 : tunables    : slabdata   
dentry              2880   2880    128   32    1 : tunables    0    0    0 : slabdata     90     90      0
.....

swap Cache

• 交换空间也是内存和磁盘之间进行数据交换，也有缓存，可通过meminfo查看。

xxx@chejiser:~$ cat /proc/meminfo 
MemTotal:       132016204 kB
MemFree:         3857000 kB
MemAvailable:   129307976 kB
Buffers:        20908916 kB
Cached:         81277832 kB
SwapCached:        65580 kB  //SwapCached大小
....

内存缓存回收

• 系统会自动按照一定规则对缓存进行回收，也可以手动回收。
• 系统接口如下：

/proc/sys/vm/drop_caches
echo 0 > /proc/sys/vm/drop_caches //不释放（系统默认值）
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches //仅清除PageCache（buffer和Cache）
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches //清除目录项（Dentry）和索引结点（Inode）
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches //清除PageCache、目录项（Dentry）和索引结点（Inode）

• 清空缓存不会杀死任何应用程序/服务，清理操作并不会释放所有内存，正在使用中的内存页是不会被清理的，操作是安全的，如果应用程序原因也可能导致缓存无法被释放。
• swap cache释放

swapoff -a && swapon -a

• 内存缓存释放前最好 sync下，不然内存页是脏页，系统不会释放，导致释放效果不明显，不执行sync也不会导致数据丢失。