Linux中的buffer cache free該如何理解

今天就跟大家聊聊有關Linux中的buffer cache free該如何理解，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結了以下內容，希望大家根據這篇文章可以有所收獲。

linux 中輸入free 可查看服務器內存使用情況

• 1)、 -b, –bytes， 以Byte為單位顯示內存使用情況

• 2)、 -k, –kilo， 以KB為單位， 這也是默認值

• 3)、 -m, –mega， 以MB為單位顯示內容使用情況

• 4)、 -g, –giga， 以GB為單位顯示內存使用情況

• 5)、 -h, –human， 自動將數值轉換為人類易讀形式

• 2)、 -c, –count， 展示結果count次，需與-s配合使用

• 3)、 -s, –seconds， 動態刷新內存使用情況的間隔 

total 內存總數: 251G
used 已經使用的內存數: 185G
free 空閑的內存數: 12G 
shared 多個進程共享的內存總額 4.1G 
buffers Buffer 緩存內存數: 內存寫入到硬盤中間數據，為解決空間 
cached Page 緩存內存數:CPU提取數據，在內存跟CPU之間

available:目前可用的內存數

total = use + free + buff/cache

available = free + buff/cache - shared

2.3、第三部分是指交換分區 

?   Swap空間的作用可簡單描述為：當系統的物理內存不夠用的時候，就需要將物理內存中的一部分空間釋放出來，以供當前運行的程序使用。那些被釋放的空間可能來自一些很長時間沒有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時保存到Swap空間中，等到那些程序要運行時，再從Swap中恢復保存的數據到內存中。這樣，系統總是在物理內存不夠時，才進行Swap交換。其實，Swap的調整對Linux服務器，特別是Web服務器的性能至關重要。通過調整Swap，有時可以越過系統性能瓶頸，節省系統升級費用。

free命令顯示了當前系統內存使用情況，其數據取自 /proc/meminfo 文件。這里我們cat 一下。可見，在這個文件中，數據的存儲就是以KB為單位，所以free的默認值也是KB

Linux中Buffer和Cache的區別

1. Cache：緩存區，是高速緩存，是位于CPU和主內存之間的容量較小但速度很快的存儲器，因為CPU的速度遠遠高于主內存的速度，CPU從內存中讀取數據需等待很長的時間，而  Cache保存著CPU剛用過的數據或循環使用的部分數據，這時從Cache中讀取數據會更快，減少了CPU等待的時間，提高了系統的性能。

    Cache并不是緩存文件的，而是緩存塊的(塊是I/O讀寫最小的單元)；Cache一般會用在I/O請求上，如果多個進程要訪問某個文件，可以把此文件讀入Cache中，這樣下一個進程獲取CPU控制權并訪問此文件直接從Cache讀取，提高系統性能。

2. Buffer：緩沖區，用于存儲速度不同步的設備或優先級不同的設備之間傳輸數據；通過buffer可以減少進程間通信需要等待的時間，當存儲速度快的設備與存儲速度慢的設備進行通信時，存儲慢的數據先把數據存放到buffer，達到一定程度存儲快的設備再讀取buffer的數據，在此期間存儲快的設備CPU可以干其他的事情。

Buffer：一般是用在寫入磁盤的，例如：某個進程要求多個字段被讀入，當所有要求的字段被讀入之前已經讀入的字段會先放到buffer中。

Cache講解

假設某地發生了自然災害（比如地震），居民缺衣少食，于是派救火車去給若干個居民點送水。
救火車到達第一個居民點，開閘放水，老百姓就拿著盆盆罐罐來接水。
假如說救火車在一個居民點停留100分鐘放完了水，然后重新儲水花半個小時，再開往下一個居民點。這樣一個白天來來來回回的，也就是4-5個居民點。
但我們想想，救火車是何等存在，如果把水龍頭完全打開，其強大的水壓能輕易沖上10層樓以上， 10分鐘就可以把水全部放完。但因為居民是拿盆罐接水，100%打開水龍頭那就是給人洗澡了，所以只能打開一小部分（比如10%的流量）。但這樣就降低了放水的效率（只有原來的10%了），10分鐘變100分鐘。
那么，我們是否能改進這個放水的過程，讓救火車以最高效率放完水、盡快趕往下一個居民點呢？
方法就是：在居民點建蓄水池。
救火車把水放到蓄水池里，因為是以100%的效率放水，10分鐘結束然后走人。居民再從蓄水池里一點一點的接水。
我們分析一下這個例子，就可以知道Cache的含義了。
救火車要給居民送水，居民要從救火車接水，就是說居民和救火車之間有交互，有聯系。
但救火車是“高速設備”，居民是“低速設備”，低速的居民跟不上高速的救火車，所以救火車被迫降低了放水速度以適應居民。
為了避免這種情況，在救火車和居民之間多了一層 “蓄水池（也就是Cache）”，它一方面以100%的高效和救火車打交道，另一方面以10%的低效和居民打交道，這就解放了救火車，讓其以最高的效率運行，而不被低速的居民拖后腿，于是救火車只需要在一個居民點停留10分鐘就可以了。
所以說，蓄水池是“活雷鋒”，把高效留給別人，把低效留給自己。把10分鐘留給救火車，把100分鐘留給自己。

從以上例子可以看出，所謂Cache，就是“為了彌補高速設備和低速設備之間的矛盾”而設立的一個中間層。因為在現實里經常出現高速設備要和低速設備打交道，結果被低速設備拖后腿的情況。

以PC為例。CPU速度很快，但CPU執行的指令是從內存取出的，計算的結果也要寫回內存，但內存的響應速度跟不上CPU。
CPU跟內存說：你把某某地址的指令發給我。內存聽到了，但因為速度慢，遲遲不見指令返回，這段時間，CPU只能無所事事的等待了。這樣一來，再快的CPU也發揮不了效率。
怎么辦呢？在CPU和內存之間加一塊“蓄水池”，也就是Cache（片上緩存），這個Cache速度比內存快，從Cache取指令不需要等待。當CPU要讀內存的指令的時候先讀Cache再讀內存，但一開始Cache是空著的，只能從內存取，這時候的確是很慢，CPU需要等待。但從內存取回的不僅僅是CPU所需要的指令，還有其它的、當前不需要的指令，然后把這些指令存在Cache里備用。
CPU再取指令的時候還是先讀Cache，看看里面有沒有所需指令，如果碰巧有就直接從Cache取，不用等待即可返回（命中），這就解放了CPU，提高了效率。（當然不會是100%命中，因為Cache的容量比內存小）。

CPU的Cache，可以有好幾層，而且還分數據Cache和指令Cache

磁盤緩存也是一樣，剛才說內存是慢速設備，所以需要片上緩存，但這個“慢”是相對于CPU而言的，相對于機械硬盤HDD，內存的速度可快多了。
對于磁盤的讀寫操作，在很久以前，讀寫過程需要CPU參與，后來出現了“DMA/直接內存訪問"就不再需要CPU了，但即使如此，高負荷、長時間的磁盤讀寫也非常的耗時，因為磁盤是機械旋轉部件，其讀寫速度相比CPU和內存條的二進制電壓變化速度，那就是蒸汽機和火箭速度的差別。
為了加快數據的讀寫速度，在磁盤和內存之間也插入一層Cache（Windows在內存里劃分出一塊區域作為Cache，硬盤也有板載Cache。）寫入數據的時候先寫入到Cache里；因為Cache很快，所以數據很快就寫入。比方說，1G的數據，如果直接寫入硬盤需要10秒，但寫入Cache（也就是系統內存）只需要1秒。這樣一來用戶就有了系統速度很快的“幻覺”。但這只是障眼法，數據暫存在Cache里并沒有被真正寫入磁盤，等系統空閑的時候再慢慢寫入。同理，在讀數據的時候，除了所需的數據，還有一堆目前不需要的數據也都被讀出來放到內存的Cache里。下次再讀的時候，如果恰巧Cache里有所需的數據就可直接讀入（命中），這就避免了從慢速的HDD讀數據的尷尬。用戶的體驗同樣也是速度很快。（同樣不會100%命中，因為RAM的容量遠小于硬盤容量）。

buffer講解

比如說吐魯番的葡萄熟了，要用大卡車裝葡萄運出去賣
果園的姑娘采摘葡萄，當然不是前手把葡萄摘下來,后手就放到卡車上，而是需要一個中間過程“籮筐”：摘葡萄→放到籮筐里→把籮筐里的葡萄倒入卡車。
也就是說，雖然最終目的是“把葡萄倒入卡車”，但中間必須要經過“籮筐”的轉手，這里的籮筐就是Buffer。是“暫時存放物品的空間”。
注意2個關鍵詞：暫時，空間
再換句話說，為了完成最終目標：把葡萄放入卡車的空間，需要暫時把葡萄放入籮筐的空間。

以BT為例，BT下載需要長時間的掛機，電腦就有可能24小時連軸轉，但BT下載的數據是碎片化的，體現在硬盤寫入上也是碎片化的，因為硬盤是機械尋址器件，這種碎片化的寫入會造成硬盤長時間高負荷的機械運動，造成硬盤過早老化損壞，當年有大量的硬盤因為BT下載而損壞。
于是新出的BT軟件在內存里開辟了Buffer，數據暫時寫入Buffer，攢到一定的大小（比如512M）再一次性寫入硬盤，這種“化零為整”的寫入方式大大降低了硬盤的負荷。
這就是：為了完成最終目標：把數據寫入硬盤空間，需要暫時寫入Buffer的空間。

再以編程為例，假設要實現一個功能：接受用戶鍵入的字符串，并賦值給一個字符串變量
其過程如下：
1：在內存中開辟一個”鍵盤緩沖區“接受用戶鍵入的字符串
2：把緩沖區中的字符串copy到程序中定義的字符串變量指向的內存空間（也就是賦值過程）
也就是說，為了完成最終目標：把字符串放入字符串變量指向的空間，需要暫時把字符串放入“鍵盤緩沖區”的空間。

以上舉的3個栗子：籮筐、BT的Buffer，鍵盤緩沖區的Buffer
Buffer的存在是為了解決什么問題？找個臨時的存儲空間！

總結：
Cache和Buffer的相同點：都是2個層面之間的中間層，都是內存。
Cache和Buffer的不同點：Cache解決的是時間問題，Buffer解決的是空間問題。
為了提高速度，引入了Cache這個中間層。
為了給信息找到一個暫存空間，引入了Buffer這個中間層。
為了解決2個不同維度的問題（時間、空間），恰巧取了同一種解決方法：加入一個中間層，先把數據寫到中間層上，然后再寫入目標。
這個中間層就是內存“RAM”，既然是存儲器就有2個參數：寫入的速度有多塊（速度），能裝多少東西（容量）
Cache利用的是RAM提供的高讀寫速度，Buffer利用的是RAM提供的存儲容量（空間）。

1、Buffer（緩沖區）是系統兩端處理速度平衡（從長時間尺度上看）時使用的。它的引入是為了減小短期內突發I/O的影響，起到流量整形的作用。比如生產者——消費者問題，他們產生和消耗資源的速度大體接近，加一個buffer可以抵消掉資源剛產生/消耗時的突然變化。
2、Cache（緩存）則是系統兩端處理速度不匹配時的一種折衷策略。因為CPU和memory之間的速度差異越來越大，所以人們充分利用數據的局部性（locality）特征，通過使用存儲系統分級（memory hierarchy）的策略來減小這種差異帶來的影響。
3、假定以后存儲器訪問變得跟CPU做計算一樣快，cache就可以消失，但是buffer依然存在。比如從網絡上下載東西，瞬時速率可能會有較大變化，但從長期來看卻是穩定的，這樣就能通過引入一個buffer使得OS接收數據的速率更穩定，進一步減少對磁盤的傷害。

1、buffer（緩沖）是為了提高內存和硬盤（或其他I/O設備）之間的數據交換的速度而設計的。

緩沖（buffers）是根據磁盤的讀寫設計的，把分散的寫操作集中進行，減少磁盤碎片和硬盤的反復尋道，從而提高系統性能。linux有一個守護進程定期清空緩沖內容（即寫入磁盤），也可以通過sync命令手動清空緩沖。
簡單來說，buffer是即將要被寫入磁盤的，而cache是被從磁盤中讀出來的。 buffer是由各種進程分配的，被用在如輸入隊列等方面。一個簡單的例子如某個進程要求有多個字段讀入，在所有字段被讀入完整之前，進程把先前讀入的字段放在buffer中保存。cache經常被用在磁盤的I/O請求上，如果有多個進程都要訪問某個文件，于是該文件便被做成cache以方便下次被訪問，這樣可提高系統性能。

2、cache（緩存）

從CPU角度考慮，是為了提高cpu和內存之間的數據交換速度而設計的，例如平常見到的一級緩存、二級緩存、三級緩存。 cpu在執行程序所用的指令和讀數據都是針對內存的，也就是從內存中取得的。由于內存讀寫速度慢，為了提高cpu和內存之間數據交換的速度，在cpu和內存之間增加了cache，它的速度比內存快，但是造價高，又由于在cpu內不能集成太多集成電路，所以一般cache比較小，以后intel等公司為了進一步提高速度，又增加了二級cache，甚至三級cache，它是根據程序的局部性原理而設計的，就是cpu執行的指令和訪問的數據往往在集中的某一塊，所以把這塊內容放入cache后，cpu就不用在訪問內存了，這就提高了訪問速度。當然若cache中沒有cpu所需要的內容，還是要訪問內存的。

從內存讀取與磁盤讀取角度考慮，cache可以理解為操作系統為了更高的讀取效率，更多的使用內存來緩存可能被再次訪問的數據。

看完上述內容，你們對Linux中的buffer cache free該如何理解有進一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關內容，請關注億速云行業資訊頻道，感謝大家的支持。