Linux系统中的Page Cache和Buffer Cache

Posted by JustDoDT on June 9, 2019

free 命令显示内存

首先,我们来了解下内存的使用情况:

Linux

Mem:表示物理内存统计

total:表示物理内存总量(total = used + free)

used:表示总计分配给缓存(包含buffers 与cache )使用的数量,但其中可能部分缓存并未实际使用。

free:未被分配的内存。

shared:共享内存。

buffers:系统分配但未被使用的buffers 数量。

cached:系统分配但未被使用的cache 数量。

-/+ buffers/cache:表示物理内存的缓存统计

used2:也就是第一行中的used – buffers-cached 也是实际使用的内存总量。 //used2为第二行

free2= buffers1 + cached1 + free1 //free2为第二行、buffers1等为第一行

free2:未被使用的buffers 与cache 和未被分配的内存之和,这就是系统当前实际可用内存。

Swap:表示硬盘上交换分区的使用情况。

在Free命令中显示的buffer和cache,它们都是占用内存:

buffer : 作为buffer cache的内存,是块设备的读写缓冲区,更靠近存储设备,或者直接就是disk的缓冲区。

cache: 作为page cache的内存, 文件系统的cache,是memory的缓冲区 。

如果cache 的值很大,说明cache住的文件数很多。如果频繁访问到的文件都能被cache住,那么磁盘的读IO 必会非常小 。

文件Cache的地位和作用

文件 Cache 是文件数据在内存中的副本,因此文件 Cache 管理与内存管理系统和文件系统都相关:一方面文件 Cache 作为物理内存的一部分,需要参与物理内存的分配回收过程另一方面文件 Cache 中的数据来源于存储设备上的文件,需要通过文件系统与存储设备进行读写交互。从操作系统的角度考虑,文件 Cache 可以看做是内存管理系统与文件系统之间的联系纽带。因此,文件 Cache 管理是操作系统的一个重要组成部分,它的性能直接影响着文件系统和内存管理系统的性能。

图1描述了 Linux 操作系统中文件 Cache 管理与内存管理以及文件系统的关系示意图。从图中可以看到,在 Linux 中,具体文件系统,如 ext2/ext3、jfs、ntfs 等,负责在文件 Cache和存储设备之间交换数据,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,而内存管理系统负责文件 Cache 的分配和回收,同时虚拟内存管理系统(VMM)则允许应用程序和文件 Cache 之间通过 memory map的方式交换数据。可见,在 Linux 系统中,文件 Cache 是内存管理系统、文件系统以及应用程序之间的一个联系枢纽。

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文件Cache相关的数据结构

在 Linux 的实现中,文件 Cache 分为两个层面,一是 Page Cache另一个 Buffer Cache每一个 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。内存管理系统和 VFS 只与 Page Cache 交互,内存管理系统负责维护每项 Page Cache 的分配和回收,同时在使用 memory map 方式访问时负责建立映射;VFS 负责 Page Cache 与用户空间的数据交换。而具体文件系统则一般只与 Buffer Cache 交互,它们负责在外围存储设备和 Buffer Cache 之间交换数据。Page Cache、Buffer Cache、文件以及磁盘之间的关系如图 2 所示,Page 结构和 buffer_head 数据结构的关系如图 3 所示。在上述两个图中,假定了 Page 的大小是 4K,磁盘块的大小是 1K。本文所讲述的,主要是指对 Page Cache 的管理。

在 Linux 内核中,文件的每个数据块最多只能对应一个 Page Cache 项,它通过两个数据结构来管理这些 Cache 项,一个是 radix tree,另一个是双向链表。Radix tree 是一种搜索树,Linux 内核利用这个数据结构来通过文件内偏移快速定位 Cache 项,图 4 是 radix tree的一个示意图,该 radix tree 的分叉为4(22),树高为4,用来快速定位8位文件内偏移。Linux(2.6.7) 内核中的分叉为 64(26),树高为 6(64位系统)或者 11(32位系统),用来快速定位 32 位或者 64 位偏移,radix tree 中的每一个叶子节点指向文件内相应偏移所对应的Cache项。

另一个数据结构是双向链表,Linux内核为每一片物理内存区域(zone)维护active_list和inactive_list两个双向链表,这两个list主要用来实现物理内存的回收。这两个链表上除了文件Cache之外,还包括其它匿名(Anonymous)内存,如进程堆栈等。

Linux

Page cache(页面缓存)

Page cache 也叫页缓冲或文件缓冲,是由好几个磁盘块构成,大小通常为4k,在64位系统上为8k,构成的几个磁盘块在物理磁盘上不一定连续,文件的组织单位为一页, 也就是一个page cache大小,文件读取是由外存上不连续的几个磁盘块,到buffer cache,然后组成page cache,然后供给应用程序。

Page cache在linux读写文件时,它用于缓存文件的逻辑内容,从而加快对磁盘上映像和数据的访问。具体说是加速对文件内容的访问,buffer cache缓存文件的具体内容一 一物理磁盘上的磁盘块,这是加速对磁盘的访问。

Buffer cache(块缓存)

Buffer cache 也叫块缓冲,是对物理磁盘上的一个磁盘块进行的缓冲,其大小为通常为1k,磁盘块也是磁盘的组织单位。设立buffer cache的目的是为在程序多次访问同一磁盘块时,减少访问时间。系统将磁盘块首先读入buffer cache 如果cache空间不够时,会通过一定的策略将一些过时或多次未被访问的buffer cache清空。程序在下一次访问磁盘时首先查看是否在buffer cache找到所需块,命中可减少访问磁盘时间。不命中时需重新读入buffer cache。对buffer cache 的写分为两种,一是直接写,这是程序在写buffer cache后也写磁盘,要读时从buffer cache 上读,二是后台写,程序在写完buffer cache 后并不立即写磁盘,因为有可能程序在很短时间内又需要写文件,如果直接写,就需多次写磁盘了。这样效率很低,而是过一段时间后由后台写,减少了多次访磁盘 的时间。

Buffer cache 是由物理内存分配,linux系统为提高内存使用率,会将空闲内存全分给buffer cache ,当其他程序需要更多内存时,系统会减少cahce大小。

Buffer page(缓冲页)

如果内核需要单独访问一个块,就会涉及到buffer page,并会检查对应的buffer head。

Swap space(交换空间)

Swap space 交换空间,是虚拟内存的表现形式。系统为了应付一些需要大量内存的应用,而将磁盘上的空间做内存使用,当物理内存不够用时,将其中一些暂时不需的数据交换 到交换空间,也叫交换文件或页面文件中。做虚拟内存的好处是让进程以为好像可以访问整个系统物理内存。因为在一个进程访问数据时,其他进程的数据会被交换 到交换空间中。

Swap cache(交换缓存)

swapcached,它表示交换缓存的大小。Page cache是磁盘数据在内存中的缓存,而swap cache则是交换分区在内存中的临时缓存。

Memory mapping(内存映射)

内 核有两种类型的内存映射:共享型(shared)和私有型(private)。私有型是当进程为了只读文件,而不写文件时使用,这时,私有映射更加高效。 但是,任何对私有映射页的写操作都会导致内核停止映射该文件中的页。所以,写操作既不会改变磁盘上的文件,对访问该文件的其它进程也是不可见的。

共 享内存中的页通常都位于page cache,私有内存映射只要没有修改,也位于page cache。当进程试图修改一个私有映射内存页时,内核就把该页进行复制,并在页表中用复制的页替换原来的页。由于修改了页表,尽管原来的页仍然在 page cache,但是已经不再属于该内存映射。而新复制的页也不会插入page cache,而是添加到匿名页反向映射数据结构。

Page cacheBuffer cache的区别

磁盘的操作有逻辑级(文件系统)和物理级(磁盘块),这两种Cache就是分别缓存逻辑和物理级数据的。

假设我们通过文件系统操作文件,那么文件将被缓存到Page Cache,如果需要刷新文件的时候,Page Cache将交给Buffer Cache去完成,因为Buffer Cache就是缓存磁盘块的。

也就是说,直接去操作文件,那就是Page Cache区缓存,用dd等命令直接操作磁盘块,就是Buffer Cache缓存的东西。

Page cache实际上是针对文件系统的,是文件的缓存,在文件层面上的数据会缓存到page cache。文件的逻辑层需要映射到实际的物理磁盘,这种映射关系由文件系统来完成。当page cache的数据需要刷新时,page cache中的数据交给buffer cache,但是这种处理在2.6版本的内核之后就变的很简单了,没有真正意义上的cache操作。

Buffer cache是针对磁盘块的缓存,也就是在没有文件系统的情况下,直接对磁盘进行操作的数据会缓存到buffer cache中,例如,文件系统的元数据都会缓存到buffer cache中。

简单说来,page cache用来缓存文件数据,buffer cache用来缓存磁盘数据。在有文件系统的情况下,对文件操作,那么数据会缓存到page cache,如果直接采用dd等工具对磁盘进行读写,那么数据会缓存到buffer cache。

Buffer(Buffer Cache)以块形式缓冲了块设备的操作,定时或手动的同步到硬盘,它是为了缓冲写操作然后一次性将很多改动写入硬盘,避免频繁写硬盘,提高写入效率。

Cache(Page Cache)以页面形式缓存了文件系统的文件,给需要使用的程序读取,它是为了给读操作提供缓冲,避免频繁读硬盘,提高读取效率。

小结

文件Cache管理是Linux操作系统的一个重要组成部分,尤其是Buffer Cache和Page Cache,在Apache Kafka中也用到了Page Cache。Kafka的消息存储在OS pagecache(页缓存,page cache的大小为一页,通常为4K,在linux读写文件时,它用于缓存文件的逻辑内容,从而加快对磁盘上映像和数据的访问)。

参考文献