什么是 buff/cache？

在 Linux 2.4 的内存管理中，buffer 指 Linux 内存的：Buffer cache。cache 指 Linux 内存中的：Page cache。一般呢，是这么解释两者的。

  • A buffer is someting that has yet to be ‘written’ to disk.
  • A cache is someting that has been ‘read’ from the disk and stored for later use.

翻译过来就是说：

  1. buffer (buff) 是用来缓存尚未 “写入” 磁盘的内容。
  2. cache 是用来缓存从磁盘 “读取” 出来的东西。

所以 buffer 被用来当成对 io 设备写的缓存。而 cache 被用来当作对 io 设备的读缓存。这里的 io 设备，主要指的是块设备文件和文件系统上的普通文件。

但是在 Linux 2.6 以后，它们的意义不一样了。

在 Linux 2.6 之后 Linux 将他们统一合并到了 Page cache 作为文件层的缓存。而 buffer 则被用作 block 层的缓存。
block 层的缓存是什么意思呢，你可以认为一个 buffer 是一个 physical disk block 在内存的代表，用来将内存中的 pages 映射为 disk blocks，这部分被使用的内存被叫做 buffer。

buffer 里面的 pages，指的是 Page cache 中的 pages，所以，buffer 也可以被认为 Page cache 的一部分。

或者简单来说，buffer 负责裸设备相关的缓存，cache 负责文件系统的缓存。

Buffer 的具体职责

在当前的系统实现里，buffer 主要是设计用来在系统对块设备进行读写时作为缓存来使用。这意味着对块的操作会使用 buffer 进行缓存，比如我们在格式化文件系统的时候。

但是一般情况下两个缓存系统是一起配合使用的，比如当我们对一个文件进行写操作的时候，cache 的内容会被改变，而 buffer 则用来将 cache 的 page 标记为不同的缓冲区，并记录是哪一个缓冲区被修改了。

这样，内核在后续执行脏数据的回写（writeback）时，就不用将整个 page 写回，而只需要写回修改的部分即可。

Cache 的具体职责

cache 主要用来作为文件系统上的文件数据的缓存来用，当进程对文件有 read/write 操作的时候。包括将文件映射到内存的系统调用 mmap，就会用到 cache。

因为 cache 被作为文件类型的缓存来用，所以事实上也负责了大部分的块设备文件的缓存工作。

怎么回收 buff/cache？

Linux 内核会在内存将要耗尽的时候，自动触发内存回收的工作，以便释放出内存给急需内存的进程使用。

但是这种回收的工作也并不是没有成本。

理解 cache 是干什么的就知道，cache 中存在着一部分 write 操作的数据。所以必须保证 cache 中的数据跟对应文件中的数据一致，才能对 cache 进行释放。

于是伴随着 cache 清除的行为的，一般都是系统 IO 飙高。这是因为内核要将 cache 中缓存的 write 数据进行回写。

我们可以使用下面这个文件来人工触发缓存清除的操作，Linux 提供了三种清空方式：

  1. echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches # 仅清除页面缓存
  2. echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches # 清除目录项和 inode
  3. echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches # 清除页面缓存、目录项以及 inode

但是这种放时只能在执行的当时起作用，过一段时间之后又会发现内存被占满，怎么办呢？

实际上内核提供了 vm.vfs_cache_pressure 参数用来控制缓冲区的回收频率，我们可以调整它。

这个参数是用来控制内核回收 VFS 缓存的频率。修改这个值会提高或者降低回收 VFS 缓存的频率。值可以设置为 0-200 中的任意值。越大回收频率越快，可以把 vm.vfs_cache_pressure 赋值为 200 来获得最快的回收频率。这个值默认值一般为 100。

另外也可以使用 slabtop 分析内存使用情况。一般情况下，dentry 和 *_inode_cache 值越高回收的效果越好。

为什么是 dentry 和 *_inode_cache 呢，这是因为当读写文件时内核会为该文件对象建立一个 dentry，并将其缓存起来，方便下一次读写时直接从内存中取出提高效率。

一些措施

内核参数

可以通过配置 vm.vfs_cache_pressure 参数，控制系统回收 directory entries 和 inode 缓存的倾向程度

Linux Kernel 文档描述如下：

此百分比值控制内核回收用于缓存 directory 和 inode 对象的内存的趋势。
在默认值 vfs_cache_pressure=100 时，内核将尝试以 pagecache 和 swapcache 回收的“公平”速率回收 dentry 和 inode。减小 vfs_cache_pressure 会导致内核更倾向于保留 dentry 和 inode 缓存。当 vfs_cache_pressure=0 时，由于内存压力，内核永远不会回收 dentry 和 inode，这很容易导致内存不足的情况。将 vfs_cache_pressure 增加到 100 以上会导致内核更喜欢回收 dentry 和 inode。
将 vfs_cache_pressure 显著增加到 100 以上可能会对性能产生负面影响。回收代码需要使用各种锁来查找可释放的目录和 inode 对象。当 vfs_cache_pressure=1000 时，它将查找比可用对象多 10 倍的可用对象。

可尝试将该值调整为 200 使得比默认值更积极地回收缓存，要持久化配置 vm.vfs_cache_pressure 为 200，你可以通过以下几种方法：

  1. 通过 /etc/sysctl.conf 文件（推荐方法）：
# 使用文本编辑器打开 /etc/sysctl.conf
sudo vim /etc/sysctl.conf

# 添加或修改以下行
vm.vfs_cache_pressure = 200

# 使配置生效
sudo sysctl -p
  1. 通过创建 /etc/sysctl.d/ 目录下的配置文件：
# 创建新的配置文件
sudo vim /etc/sysctl.d/99-vfs-cache-pressure.conf

# 添加以下行
vm.vfs_cache_pressure = 200

# 使配置生效
sudo sysctl --system

手动清理

$ sync
$ echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
$ echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

自动定时清理

不推荐这么做

1、创建脚本cleanCache.sh

#!/bin/bash#每两小时清除一次缓存
echo "开始清除缓存"
sync;sync;sync #写入硬盘，防止数据丢失
sleep 10#延迟10秒
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

2、创建定时任务

crontab -e #弹出配置文件

3、添加定时任务执行频率

#分　 时　 日　 月　 周　 命令
0 */2 * * * /usr/local/bin/cleanCache.sh

4、设置crond启动以及开机自启

systemctl start crond.service
systemctl enable crond.service

5、查看定时任务是否被执行

cat /var/log/cron | grep cleanCache

References

最后修改：2025 年 01 月 04 日
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