一文读懂Buffer与Cache：开启性能优化的大门
在计算机的世界里，内存管理就像是一场精密的交响乐指挥，协调着数据的流动与处理，对计算机系统的性能起着决定性作用。想象一下，计算机系统是一座繁忙的城市，内存就是城市中的交通枢纽，数据则是来来往往的车辆。如果没有良好的交通管理（内存管理），车辆（数据）就会拥堵，整个城市（计算机系统）的运行效率就会大幅下降。
而在内存管理这个大舞台上，Buffer（缓冲区）和 Cache（缓存）则是两位至关重要的角色，它们默默工作，却对系统性能有着深远影响。很多人对它们的概念感到困惑，常常将二者混为一谈，今天就让我们深入探究一下这两个神秘的存在，揭开它们的面纱，看看它们是如何在幕后助力计算机高效运行的 。
一、Buffer和Cache概述
从字面意思来看，Buffer 是缓冲区，Cache 是缓存 。它们都用于在内存中临时存储数据，但这两种 “临时存储” 又有着明显的区别。就好像你出门旅行，会带一个行李箱和一个随身小包。行李箱可以类比为 Buffer，它用来存放暂时不用，但后续可能会用到的物品，这些物品就像等待传输到其他设备的数据。而随身小包就像 Cache，里面装着你随时可能会用到的东西，比如手机、钱包，这些物品就像被频繁访问的数据，放在小包里能让你快速拿到，就像数据被缓存起来能被快速读取一样。
在 Linux 系统中，我们可以通过free命令来查看内存的使用情况 。打开终端，输入free -h（-h参数是为了让输出结果更易读），你会看到类似这样的信息：
在这些信息中，buff/cache这一列引起了我们的注意，它就是 Buffer 和 Cache 的内存使用总和 。而实际上，free命令的统计数据是来自于/proc/meminfo这个文件 。用cat /proc/meminfo命令查看，会看到更详细的内存信息，其中Buffers和Cached这两个字段，分别对应着 Buffer 和 Cache 使用的内存大小 。
那么，Buffers、Cached和SReclaimable具体是什么含义呢？Buffers是内核缓冲区用到的内存，它主要用于缓存磁盘的数据 。比如，当我们向磁盘写入数据时，数据不会立刻被写入磁盘，而是先存储在Buffers中，等积累到一定量或者满足特定条件时，再统一写入磁盘，这样可以减少磁盘 I/O 的次数，提高写入效率 。Cached是内核页缓存和 Slab 用到的内存，主要用于缓存从文件读取的数据 。
当我们读取一个文件时，数据会被缓存到Cached中，如果下次再读取相同的文件内容，就可以直接从内存中获取，大大加快了读取速度 。SReclaimable是 Slab 的一部分，Slab 是内核中用于管理内存的一种机制，SReclaimable表示 Slab 中可回收的部分 。
二、Buffer与Cache工作原理
2.1Buffer的工作原理
Buffer 就像是数据传输过程中的一个临时停靠站 。当计算机与不同速度的设备进行数据交换时，比如内存与硬盘之间，由于硬盘的读写速度相对内存来说非常慢，如果没有 Buffer，内存就需要一直等待硬盘完成数据传输，这会极大地浪费内存的性能 。而有了 Buffer，当内存要向硬盘写入数据时，数据会先被存储到 Buffer 中 。假设我们要将一个大文件写入硬盘，文件数据会按一定大小的块依次存入 Buffer 。
当 Buffer 中的数据达到一定量（比如一个磁盘块的大小），或者满足特定的写入条件（如操作系统的写入调度策略）时，这些数据就会被一次性写入硬盘 。这样做的好处是，减少了硬盘的读写次数 。因为如果每次有少量数据就直接写入硬盘，硬盘的磁头需要频繁移动来定位数据位置，这会花费大量时间 。而通过 Buffer 的缓冲，将分散的小写入操作合并成大的写入操作，大大提高了数据传输的效率 。
同时，在数据读取时，Buffer 也起着类似的作用 。当从硬盘读取数据时，硬盘会将数据先读取到 Buffer 中，内存再从 Buffer 中读取数据，这就避免了内存直接与速度较慢的硬盘频繁交互，保证了数据传输的稳定性和高效性 。
当应用程序请求从磁盘读取数据时，内核会先检查Buffer中是否已经存在相应的数据块。如果存在，内核会直接从Buffer返回数据，避免了对物理磁盘的读取。如果数据不在Buffer中，内核会将数据块从磁盘读取到Buffer中，并返回给应用程序。这样，Buffer在一定程度上减少了对磁盘的访问次数，提高了I/O性能。
相关系统参数(1)dirty_ratio
(2)dirty_background_ratio
2.2Cache：加速系统的秘密武器
Cache 的工作原理基于程序的局部性原理 ，即程序在一段时间内访问的数据往往集中在一个较小的区域 。它就像一个数据的 “快速通道”，将经常访问的数据复制到内存中速度更快的区域 。以数据库查询为例，当我们执行一个数据库查询语句时，查询结果会被存储在 Cache 中 。如果下次再执行相同或相似的查询语句，系统会首先检查 Cache 中是否已经存在该结果 。如果存在，就直接从 Cache 中读取数据返回给用户，而不需要再次执行复杂的数据库查询操作 。这大大减少了数据访问的时间，提高了系统的响应速度 。
Cache 通常采用一些替换算法，如最近最少使用（LRU）算法，来决定当 Cache 空间不足时，哪些数据需要被替换出去 。LRU 算法会将最近一段时间内最少被访问的数据替换掉，这样可以保证 Cache 中始终保存着最有可能被再次访问的数据 。除了数据库查询，Cache 在 CPU 与内存之间也起着重要作用 。
由于 CPU 的运行速度远远快于内存，为了减少 CPU 等待内存数据的时间，在 CPU 和内存之间设置了 Cache 。CPU 首先会在 Cache 中查找需要的数据，如果找到（命中），就可以快速获取数据进行处理；如果没找到（未命中），才会从内存中读取数据，并将读取的数据同时存入 Cache 中，以便下次访问时能够更快获取 。
相关系统参数(1)vfs_cache_pressure
例如：swappiness
3.3Buffer和Cache的区别
(1)存储内容Buffer存储的是I/O操作的数据块，通常是对物理设备的读写请求的中介。Cache存储的是文件系统的数据块，包括文件的元数据和实际内容。(2)读取方式Buffer主要用于减少对物理设备的读写次数，通过缓存I/O操作提高性能。Cache更侧重于文件系统的读取，通过缓存文件数据和元数据提高文件系统的整体读取速度。(3)清理策略Buffer中的数据通常被操作系统维护，不容易手动清理。Cache的内容可以通过手动或自动的方式进行清理，以释放内存空间。三、实战案例分析
为了更直观地理解 Buffer 和 Cache 的工作方式，我们通过几个实际案例来进行分析 。在 Linux 系统中，我们可以使用vmstat命令来实时监控内存和 I/O 的使用情况 。打开终端，输入vmstat 1（1表示每秒输出一次数据），可以看到如下信息：
这里的buff和cache分别对应 Buffer 和 Cache 使用的内存大小，单位是 KB ，bi和bo分别表示块设备读取和写入的大小，单位为块 / 秒 。由于 Linux 中块的大小是 1KB，所以这个单位也就等价于 KB/s 。
3.1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：
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。
buff 和 cache 就是我们前面看到的 Buffers 和 Cache，单位是 KB。bi 和 bo 则分别表示块设备读取和写入的大小，单位为块/秒。因为 Linux 中块的大小是 1KB，所以这个单位也就等价于 KB/s。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：
然后再回到第一个终端，观察Buffer和Cache的变化情况：
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，在 Cache 刚开始增长时，块设备 I/O 很少，bi 只出现了一次 488 KB/s，bo 则只有一次 4KB。而过一段时间后，才会出现大量的块设备写，比如 bo 变成了122880。
当 dd 命令结束后，Cache 不再增长，但块设备写还会持续一段时间，并且，多次 I/O 写的结果加起来，才是 dd 要写的 500M 的数据。
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：
然后，再回到终端一，观察内存和I/O的变化情况：
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。
3.2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：
然后，再回到终端一，观察内存和I/O的变化情况：
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：
然后，再回到终端一，观察内存和I/O的变化情况：
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：
Buffer既可以用作“将要写入磁盘数据的缓存”，也可以用作“从磁盘读取数据的缓存”。Cache既可以用作“从文件读取数据的页缓存”，也可以用作“写文件的页缓存”。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。
