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Linux是一種自由和開(kāi)放源代碼的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域，成為全球更流行的服務(wù)器操作系統(tǒng)之一。Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)的核心，不僅提供了操作系統(tǒng)的基本功能，還包含了眾多負(fù)責(zé)具體硬件控制和管理的模塊。其中讀寫(xiě)緩沖區(qū)是Linux內(nèi)核中非常重要的一部分，本文將介紹讀寫(xiě)緩沖區(qū)的原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

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1. 什么是讀寫(xiě)緩沖區(qū)

讀寫(xiě)緩沖區(qū)是Linux內(nèi)核中負(fù)責(zé)管理輸入輸出緩沖區(qū)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要用于把外部設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)和操作系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。讀寫(xiě)緩沖區(qū)可以理解成是內(nèi)核和外部設(shè)備之間的一個(gè)緩沖區(qū)，其主要作用是在內(nèi)存和外部設(shè)備之間建立一個(gè)緩沖區(qū)，使得內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可以被讀取或?qū)懭氲酵獠吭O(shè)備中，同時(shí)在外部設(shè)備的讀取或?qū)懭胨俣缺容^慢時(shí)，還可以緩存一部分?jǐn)?shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的操作速度。

2. 讀寫(xiě)緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)原理

在Linux內(nèi)核中，讀寫(xiě)緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)使用了一些緩存技術(shù)，包括頁(yè)面高速緩存（Page Cache），緩存塊設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)模式（Buffered Block Device Access），以及直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)（Direct Memory Access）等技術(shù)。

其中，頁(yè)面高速緩存（Page Cache）是Linux內(nèi)核中最重要的緩存技術(shù)之一，它是一種基于文件系統(tǒng)的緩存技術(shù)，主要用于加快文件訪(fǎng)問(wèn)的速度。在文件系統(tǒng)中，內(nèi)核會(huì)對(duì)打開(kāi)的文件進(jìn)行緩存以提高其訪(fǎng)問(wèn)速度，當(dāng)應(yīng)用程序需要訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)文件時(shí)，內(nèi)核會(huì)優(yōu)先從緩存中讀取文件，如果文件已經(jīng)在緩存中存在，則直接從緩存中讀取，否則再?gòu)拇疟P(pán)中將它調(diào)入到緩存中。由于磁盤(pán)的讀取速度比較慢，使用頁(yè)面高速緩存可以極大地提高文件的讀取速度，同時(shí)也可以減少磁盤(pán)的讀寫(xiě)操作，降低硬件的損耗。

此外，緩存塊設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)模式（Buffered Block Device Access）也是Linux內(nèi)核中常用的一種緩存技術(shù)，主要用于加快塊設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)的速度。在塊設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)中，內(nèi)核會(huì)對(duì)讀寫(xiě)請(qǐng)求進(jìn)行緩存，當(dāng)塊設(shè)備需要訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，內(nèi)核會(huì)直接從緩存中讀取，而不是每次都需要從磁盤(pán)中讀取。如此一來(lái)，可以減少磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)，提高塊設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)效率。

直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)（Direct Memory Access）是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在讀寫(xiě)緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)中也有所應(yīng)用，它可以在不經(jīng)過(guò)CPU的情況下直接將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵庠O(shè)中，從而極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。但是由于這種技術(shù)比較復(fù)雜，同時(shí)也需要硬件的支持，因此在應(yīng)用中并不是很普遍。

3. 讀寫(xiě)緩沖區(qū)的應(yīng)用

讀寫(xiě)緩沖區(qū)在Linux內(nèi)核中應(yīng)用廣泛，它可以應(yīng)用于文件I/O操作、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、塊設(shè)備操作等多個(gè)領(lǐng)域。

在文件I/O操作中，讀寫(xiě)緩沖區(qū)可以提供文件的讀取和寫(xiě)入的緩存，使得文件讀寫(xiě)操作更加高效，同時(shí)也避免了頻繁訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)的問(wèn)題。

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中，讀寫(xiě)緩沖區(qū)可以提供套接字的讀取和寫(xiě)入緩存，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸更加穩(wěn)定和高效，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

在塊設(shè)備操作中，讀寫(xiě)緩沖區(qū)可以提供塊設(shè)備的讀取和寫(xiě)入緩存，進(jìn)一步優(yōu)化了塊設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)效率，使得磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)更加高效和可靠。

讀寫(xiě)緩沖區(qū)是Linux內(nèi)核中非常重要的一部分，其應(yīng)用范圍廣泛，可以使得操作系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定、可靠。對(duì)于想要深入了解Linux內(nèi)核的研究人員和工程師而言，掌握讀寫(xiě)緩沖區(qū)的原理和應(yīng)用是非常重要的一步，有助于提高Linux系統(tǒng)的性能和可靠性。

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如何控制Linux清理cache機(jī)制

Linux下的緩存機(jī)制及清理buffer/cache/swap的方法梳理

（1）緩存機(jī)制

為了提高文件系統(tǒng)性能，內(nèi)核利用一部分物理內(nèi)存分配出緩沖區(qū)，用于緩存系統(tǒng)操作和數(shù)據(jù)文件，當(dāng)內(nèi)核收到讀寫(xiě)的請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)核先去緩存區(qū)找是否有請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，有就直接返回，如果沒(méi)有則通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序直接遲槐操作磁盤(pán)。

緩存機(jī)制優(yōu)點(diǎn)：減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)，降低CPU上下文切換和磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)頻率。

CPU上下文切換：CPU給每個(gè)進(jìn)程一定的服務(wù)時(shí)間，當(dāng)時(shí)間片用完后，內(nèi)核從正物缺在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，同時(shí)把進(jìn)程當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)保存下來(lái)，然后加載下一個(gè)任務(wù)，這個(gè)過(guò)程叫做上下文切換。實(shí)質(zhì)上就是被終止運(yùn)行進(jìn)程與待運(yùn)行進(jìn)程的進(jìn)程切換。

（2）查看緩存區(qū)及內(nèi)存使用情況

# free -m

total used free shared buffers cached

Mem:

-/+ buffers/cache:

Swap:0

可以看到內(nèi)存總共8G，已使用7725M，剩余141M，不少的碼螞友人都是這么看的，這樣并不能作為實(shí)際的使用率。因?yàn)橛辛司彺鏅C(jī)制，具體該怎么算呢？

空閑內(nèi)存=free（141）+buffers（74）+cached（6897）

已用內(nèi)存=total（7866）-空閑內(nèi)存

由此算出空閑內(nèi)存是7112M，已用內(nèi)存754M，這才是真正的使用率，也可參考-/+ buffers/cache這行信息也是內(nèi)存正確使用率。

（3）可見(jiàn)緩存區(qū)分為buffers和cached，他們有什么區(qū)別呢？

內(nèi)核在保證系統(tǒng)能正常使用物理內(nèi)存和數(shù)據(jù)量讀寫(xiě)情況下來(lái)分配緩沖區(qū)大小。buffers用來(lái)緩存metadata及pages，可以理解為系統(tǒng)緩存，例如，vi打開(kāi)一個(gè)文件。cached是用來(lái)給文件做緩存，可以理解為數(shù)據(jù)塊緩存，例如，dd if=/dev/zero of=/tmp/test count=1 bs=1G 測(cè)試寫(xiě)入一個(gè)文件，就會(huì)被緩存到緩沖區(qū)中，當(dāng)下一次再執(zhí)行這個(gè)測(cè)試命令時(shí)，寫(xiě)入速度會(huì)明顯很快。

（4）隨便說(shuō)下Swap做什么用的呢？

Swap意思是交換分區(qū)，通常我們說(shuō)的虛擬內(nèi)存，是從硬盤(pán)中劃分出的一個(gè)分區(qū)。當(dāng)物理內(nèi)存不夠用的時(shí)候，內(nèi)核就會(huì)釋放緩存區(qū)（buffers/cache）里一些長(zhǎng)時(shí)間不用的程序，然后將這些程序臨時(shí)放到Swap中，也就是說(shuō)如果物理內(nèi)存和緩存區(qū)內(nèi)存不夠用的時(shí)候，才會(huì)用到Swap。

swap清理：

swapoff -a && swapon -a

注意：這樣清理有個(gè)前提條件，空閑的內(nèi)存必須比已經(jīng)使用的swap空間大

（5）怎樣釋放緩存區(qū)內(nèi)存呢？

a)直接改變內(nèi)核運(yùn)行參數(shù)

#釋放pagecache

echo 1 >/proc/sys/vm/drop_caches

#釋放dentries和inodes

echo 2 >/proc/sys/vm/drop_caches

#釋放pagecache、dentries和inodes

echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches

b)也可以使用sysctl重置內(nèi)核運(yùn)行參數(shù)

sysctl -w vm.drop_caches=3

注意：這兩個(gè)方式都是臨時(shí)生效，永久生效需添加sysctl.conf文件中，一般寫(xiě)成腳本手動(dòng)清理，建議不要清理。

修改/etc/sysctl.conf 添加如下選項(xiàng)后就不會(huì)內(nèi)存持續(xù)增加

vm.dirty_ratio = 1

vm.dirty_background_ratio=1

vm.dirty_writeback_centisecs=2

vm.dirty_expire_centisecs=3

vm.drop_caches=3

vm.swappiness =100

vm.vfs_cache_pressure=163

vm.overcommit_memory=2

vm.lowmem_reserve_ratio=

kern.maxvnodes=3

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新聞標(biāo)題：深入學(xué)習(xí)Linux：探究讀寫(xiě)緩沖區(qū)原理(linux讀寫(xiě)緩沖區(qū))
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