Linux Memory Buffer&Cache

从字面上和语义来看，buffer名为缓冲，cache名为缓存。我们知道各种硬件存在制作工艺上的差别，所以当两种硬件需要交互的时候，肯定会存在速度上的差异，而且只有交互双方都完成才可以各自处理别的其他事务。假如现在有两个需要交互的设备A和B，A设备用来交互的接口速率为1000M/s，B设备用来交互的接口速率为500M/s，那他们彼此访问的时候都会出现以下两种情况：（以A来说）

一.A从B取一个1000M的文件结果需要2s，本来需要1s就可以完成的工作，却还需要额外等待1s,B设备把剩余的500M找出来，这等待B取出剩下500M的空闲时间内(1s)其他的事务还干不了

二.A给B一个1000M的文件结果也需要2s，本来需要也就1s就可以完成的工作，却由于B，1s内只能拿500M，剩下的500M还得等下一个1sB来取，这等待下1s的时间还做不了其他事务。

那有什么方法既可以让A在‘取’或‘给’B的时候既能完成目标任务又不浪费那1s空闲等待时间去处理其他事务呢？我们知道产生这种结果主要是因为B跟不上A的节奏，但即使这样A也得必须等B处理完本次事务才能干其他活（单核cpu来说），除非你有三头六臂。那有小伙伴可能会问了，能不能在A和B之间加一层区域比如说ab，让ab既能跟上A的频率也会照顾B的感受，没错我们确实可以这样设计来磨合接口速率上的差异，你可以这样想象，在区域ab提供了两个交互接口一个是a接口另一个是b接口，a接口的速率接近A，b接口的速率最少等于B，然后我们把ab的a和A相连，ab的b和B相连，ab就像一座桥把A和B链接起来，并告知A和B通过他都能转发给对方，文件可以暂时存储，最终拓扑大概如下：

　　现在我们再来看上述两种情况：

对于第一种情况A要B：当A从B取一个1000M的文件，他把需求告诉了ab，接下来ab通过b和B进行文件传送，由于B本身的速率，传送第一次ab并没有什么卵用，对A来说不仅浪费了时间还浪费了感情，ab这家伙很快感受到了A的不满，所以在第二次传送的时候，ab背着B偷偷缓存了一个一模一样的文件，而且只要从B取东西，ab都会缓存一个拷贝下来放在自己的大本营，如果下次A或者其他C来取B的东西，ab直接就给A或C一个货真价实的赝品，然后把它通过a接口给了A或C，由于a的速率相对接近A的接口速率，所以A觉得不错为他省了时间，最终和ab的a成了好基友，说白了此时的ab提供的就是一种缓存能力，即cache，绝对的走私！因为C取的是A执行的结果。所以在这种工作模式下，怎么取得的东西是最新的也是我们需要考虑的，一般就是清cache。例如cpu读取内存数据，硬盘一般都提供一个内存作为缓存来增加系统的读取性能

对于第二种情况A给B：当A发给B一个1000M的文件，因为A知道通过ab的a接口就可以转交给B，而且通过a接口要比通过B接口传送文件需要等待的时间更短，所以1000M通过a接口给了ab ，站在A视图上他认为已经把1000M的文件给了B，但对于ab并不立即交给B，而是先缓存下来，除非B执行sync命令，即使B马上要，但由于b的接口速率最少大于B接口速率，所以也不会存在漏洞时间，但最终的结果是A节约了时间就可以干其他的事务，说白了就是推卸责任，哈哈而ab此时提供的就是一种缓冲的能力，即buffer，它存在的目的适用于当速度快的往速度慢的输出东西。例如内存的数据要写到磁盘，cpu寄存器里的数据写到内存。

看了上面这个例子，那我们现在看一下在计算机领域，在处理磁盘IO读写的时候，cpu，memory，disk基于这种模型给出的一个实例。我们先来一幅图：（我从别家当来的，我觉得，看N篇文档 不如瞄此一图）

page cache：文件系统层级的缓存，从磁盘里读取的内容是存储到这里，这样程序读取磁盘内容就会非常快，比如使用grep和find等命令查找内容和文件时，第一次会慢很多，再次执行就快好多倍，几乎是瞬间。但如上所说，如果对文件的更新不关心，就没必要清cache，否则如果要实施同步，必须要把内存空间中的cache clean下

buffer cache：磁盘等块设备的缓冲，内存的这一部分是要写入到磁盘里的。这种情况需要注意，位于内存buffer中的数据不是即时写入磁盘，而是系统空闲或者buffer达到一定大小统一写到磁盘中，所以断电易失，为了防止数据丢失所以我们最好正常关机或者多执行几次sync命令，让位于buffer上的数据立刻写到磁盘里。

接下来说一下Linux上怎么查看buffer/cache,怎么flush…cache ？

[[e-mail] ~]# free -m

total used free shared buffers cached
Mem: 　　　　 727 359 367 0 36 171
-/+ buffers/cache: 152 575
Swap: 2047 0 2047

第一部分Mem行：

total：内存总数

used：已经使用的内存数

free：空闲的内存数

shared：可用的共享内存

buffers：内存缓冲数

cached：内存缓存数

第二部分:(-/+ buffers/cache)

used:除去被用作buffers和cache内存后已用的内存

free：用作buffers和cache的内存加上Mem部分空闲的内存数

第三部分:（Swap）

用一部分磁盘当做内存用的“内存”

现在我们来做一下数据统计

total=Mem_used+Mem_free

Mem_used=Mem_buffers+Mem_cached+(-/+ buffers/cache)_used

Mem_free=(-/+ buffers/cache)_free-Mem_buffers-Mem_cached

通过以上等式，我们可以知道：

1.buffers和cache也是RAM划分出来的一部分地址空间

2.buffers和cache的地址空间也可作为空闲内存的组成部分，这意味着我们可以通过向内核传参释放一部分内存给其他进程

3.由于buffers/cache 是一种动态的内存地址空间，所以已用空间和空余空间有绝对使用，绝对空余空间，算上buffers/cache的相对已用空间和相对空余空间四个概念。

如何释放缓存吗？我们知道Linux的一个重要思想是一切皆文件，比如各种输入输出设备：键盘，鼠标，网卡，显示器，打印机，U盘，console口，在linux的国度里都可为其创建一个文件作为访问设备的入口，而内核的各种参数也被映射成了文件，不过内核参数这种文件比较特殊，在linux上有两个伪文件系统：/proc,/sys。

/proc:内核状态和统计信息的输出接口：同时还提供一个配置接口，/proc/sys/ 一些文件可接受用户指定一个新的value来实现对内核某功能或特性的配置：切记不能用文本编辑器去打开，我们可以通过以下三种方式可以去修改：

  1).sysctl [options] [var=[value]]

var格式 x.x.x… 命令默认的根目录是 /proc/sys

sysctl -a ：查看所有根目录下的内核参数（可以送给grep来检索需要的内核参数）

sysctl var: 查看指定内核参数的值（如果你很熟悉这个目录你可以直接指所要改的内核选项）

sysctl -w var=value：设定内核参数var等于value的值

2).cat /proc/sys/Path/var_file

echo “value” > /proc/sys/Path/var_file (通过重定向）

注意！以上两种方式的设定仅即时生效，内核重新加载就会失效，如果想让永久生效需要修改其配置文件
　　3) 配置文件：/etc/sysctl.conf,/etc/sysctl.d/*.conf （*是代表所有）这个可以vim，比如我们通过vim 打开并让其有数据包转发功能，我们可以修改以下这个参数

# Controls IP packet forwardin
　　net.ipv4.ip_forward = 1
　　　修改完我们可以通过sysctl -p [/etc/sysctl.conf] 让其内核重读配置文件使其修改的value立即生效。

知道了怎么修改内核参数，接下来我们清理下buffers/cache
[[e-mail] ~]# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

[[e-mail] ~]# free -m
total used free shared buffers cached
Mem: 727 177 549 0 0 27
-/+ buffers/cache: 150 577
Swap: 2047 0 2047

我们看到命令执行后buffers为0，cached也只有27M。

总结：
1.buffer和cache都是为了解决互访的两种设备存在速率差异，使磁盘的IO的读写性能或cpu更加高效，减少进程间通信等待的时间
2.buffer：缓冲区-用于存储速度不同步的设备或优先级不同的设备之间传输数据，通过buffer可以减少进程间通信需要等待的时间，当存储速度快的设备与存储速度慢的设备进行通信时，存储快的设备先把数据缓存到buffer上，等到系统统一把buffer上的数据写到速度慢的设备上。常见的有把内存的数据往磁盘进行写操作，这时你可以查看一下buffers
3.cache：缓存区-用于对读取速度比较严格，却因为设备间因为存储设备存在速度差异，而不能立刻获取数据，这时cache就会为了加速缓存一部分数据。常见的是CPU和内存之间的数据通信，因为CPU的速度远远高于主内存的速度，CPU从内存中读取数据需等待很长的时间，而Cache保存着CPU刚用过的数据或循环使用的部分数据，这时Cache中读取数据会更快，减少了CPU等待的时间，提高了系统的性能。

问题：

1. buffers和cache是必须的吗？
2. 怎么清除buffers和cache？
3. 当buffers值一段时间增长很快说明什么？cache一段时间增长很快说明什么？