Linux虚拟内存、buffer、cache、缓存命中率、缓存文件大小

物理内存也称为主存，大多数计算机用的主存都是动态随机访问内存（DRAM）。只有内核才可以直接访问物理内存。

虚拟内存

Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。进程就可以很方便访问虚拟内存。虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同字长（也就是单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位系统

32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间。
64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

进程在用户态时，只能访问用户空间内存；

进入内核态后，才可以访问内核空间内存。

虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间关联的都是相同的物理内存。进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

内存映射

并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的。

内存映射，其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址。

为了完成内存映射，****内核为每个进程都维护了一张页表，记录虚拟地址与物理地址的映射关系。页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中，这样，正常情况下，处理器就可以直接通过硬件，找出要访问的内存。

当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

TLB（Translation Lookaside Buffer，转译后备缓冲器）会影响 CPU 的内存访问性能。 TLB 其实就是 MMU 中页表的高速缓存。由于进程的虚拟地址空间是独立的，而 TLB 的访问速度又比 MMU 快得多，所以，通过减少进程的上下文切换，减少 TLB 的刷新次数，就可以提高 TLB 缓存的使用率，进而提高 CPU 的内存访问性能。

MMU 并不以字节为单位来管理内存，而是规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是 4 KB 大小。这样，每一次内存映射，都需要关联 4 KB 或者 4KB 整数倍的内存空间。

为什么需要多级页表？

页的大小只有 4 KB ，导致的另一个问题就是，整个页表会变得非常大。比方说，仅 32 位系统，2的32次幂可以表示的地址是4GB，所以内存最大4GB，而这么大内存可以放下的页面是4GB/4KB = 100 多万个页，也就是MMU 需要保存一百多万页面的页表项，才可以实现整个地址空间的映射。

多级页表解决页表项过多

多级页表就是把内存分成区块来管理，将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分，那么，多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就可以大大地减少页表的项数。

Linux 用的正是四级页表来管理内存页，虚拟地址被分为 5 个部分，前 4 个表项用于选择页，而最后一个索引表示页内偏移。

大页HugePage解决页表项过多

比普通页更大的内存块，常见的大小有 2MB 和 1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上，比如 Oracle、DPDK 等。

虚拟内存空间分布

用户空间内存，从低到高分别是五种不同的内存段。

只读段，包括代码和常量等。
数据段，包括全局变量等。

3. 堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。

4. 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长。

栈，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。

注意内存的地址，下面是低地址，上面是高地址

堆和文件映射段的内存是动态分配的。比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。

内存分配策略

malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即 brk() 和 mmap()。

对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配，也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。
- brk() 方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率。不过，由于这些内存没有归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片。
大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。
- mmap() 方式分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次 mmap 都会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配会导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因。

当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。这些内存，都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存。

整体来说，Linux 使用伙伴系统来管理内存分配。这些内存在 MMU 中以页为单位进行管理，伙伴系统也一样，以页为单位来管理内存，并且会通过相邻页的合并，减少内存碎片化（比如 brk 方式造成的内存碎片）。

如果遇到比页更小的对象，比如不到 1K 的时候，实际系统运行中，确实有大量比页还小的对象，如果为它们也分配单独的页，那就太浪费内存了。在用户空间，malloc 通过 brk() 分配的内存，在释放时并不立即归还系统，而是缓存起来重复利用。在内核空间，Linux 则通过 slab 分配器来管理小内存。你可以把 slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存，主要作用就是分配并释放内核中的小对象。

对内存来说，如果只分配而不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。所以，在应用程序用完内存后，还需要调用 free() 或 unmap() ，来释放这些不用的内存。

内存回收策略--内存不足应对

在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存，比如下面这三种方式：

回收缓存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面；
回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中；
- Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用。它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）。
- 通常只在内存不足时，才会发生 Swap 交换。
- 由于磁盘读写的速度远比内存慢，Swap 会导致严重的内存性能问题。
杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。
- OOM（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大；
- 一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。
- 进程的 oom_score 越大，代表消耗的内存越多，也就越容易被 OOM 杀死，从而可以更好保护系统。
- 管理员可以通过 /proc 文件系统，手动设置进程的 oom_adj ，从而调整进程的 oom_score。oom_adj 的范围是 [-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被 OOM 杀死；数值越小，表示进程越不容易被 OOM 杀死，其中 -17 表示禁止 OOM。

# 把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16，这样， sshd 进程就 不容易被 OOM 杀死。
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

如何查看内存使用情况

free 整个系统的内存使用情况

free 输出的是一个表格，其中的数值都默认以字节为单位。两行分别是物理内存 Mem 和交换分区 Swap 的使用情况

第一列，total 是总内存大小；
第二列，used 是已使用内存的大小，包含了共享内存；
第三列，free 是未使用内存的大小；
第四列，shared 是共享内存的大小；
第五列，buff/cache 是缓存和缓冲区的大小；
最后一列，available 是新进程可用内存的大小。最后一列的可用内存 available 。不仅包含未使用内存，还包括了可回收的缓存，所以一般会比未使用内存更大。不过，并不是所有缓存都可以回收，因为有些缓存可能正在使用中。

top / ps进程的内存使用情况

按下 M 切换到内存排序

VIRT 是进程虚拟内存的大小，只要是进程申请过的内存，即便还没有真正分配物理内存，也会计算在内。
RES 是常驻内存的大小，也就是进程实际使用的物理内存大小，但不包括 Swap 和共享内存。
SHR 是共享内存的大小，比如与其他进程共同使用的共享内存、加载的动态链接库以及程序的代码段等。
%MEM 是进程使用物理内存占系统总内存的百分比。

第一，虚拟内存通常并不会全部分配物理内存。每个进程的虚拟内存都比常驻内存大得多。

第二，共享内存 SHR 并不一定是共享的，比方说，程序的代码段、非共享的动态链接库，也都算在 SHR 里。当然，SHR 也包括了进程间真正共享的内存。所以在计算多个进程的内存使用时，不要把所有进程的 SHR 直接相加得出结果。

内存中的Buffer和Cache

free 输出的缓存是 Buffer 和 Cache 两部分的总和。

Buffer 是缓冲区，而 Cache 是缓存，两者都是数据在内存中的临时存储。

free 数据的来源-- /proc/meminfo

Buffer 和 Cache 是用 free 获得的指标。

man free

Buffers 是内核缓冲区用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Buffers 值。

Cache 是内核页缓存和 Slab 用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Cached 与 SReclaimable 之和。

这些数值都来自 /proc/meminfo。

同一个指标的具体含义，就可能因为内核版本、性能工具版本的不同而有挺大差别。

proc 文件系统

/proc 是 Linux 内核提供的一种特殊文件系统，是用户跟内核交互的接口。用户可以从 /proc 中查询内核的运行状态和配置选项，查询进程的运行状态、统计数据等，也可以通过 /proc 来修改内核的配置。

proc 文件系统同时也是很多性能工具的最终数据来源

执行 man proc ，搜索一下（比如搜索 meminfo），以便更快定位到内存部分。

Buffers 是对原始磁盘块的临时存储，也就是用来缓存磁盘的数据，通常不会特别大 （20MB 左右）。这样，内核就可以把分散的写集中起来，统一优化磁盘的写入，比如可以把多次小的写合并成单次大的写等等。

Cached 是从磁盘读取文件的页缓存，也就是用来缓存从文件读取的数据。这样，下次访问这些文件数据时，就可以直接从内存中快速获取，而不需要再次访问缓慢的磁盘。

SReclaimable 是 Slab 的一部分。Slab 包括两部分，其中的可回收部分，用 SReclaimable 记录；而不可回收部分，用 SUnreclaim 记录。

Buffer 的文档没有提到这是磁盘读数据还是写数据的缓存，而在很多网络搜索的结果中都会提到 Buffer 只是对将要写入磁盘数据的缓存。那反过来说，它会不会也缓存从磁盘中读取的数据呢？
Cache 是对从文件读取数据的缓存，那么它是不是也会缓存写文件的数据呢？

实验

环境准备

sysstat ，用到 vmstat ，来观察 Buffer 和 Cache 的变化情况。虽然从 /proc/meminfo 里也可以读到相同的结果，但毕竟还是 vmstat 的结果更加直观。
dd 来模拟磁盘和文件的 I/O，
为了减少缓存的影响，运行下面的命令来清理系统缓存：写入 3 表示清理文件页、目录项、Inodes 等各种缓存。echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

场景 1：磁盘和文件写案例

buff 和 cache 就是我们前面看到的 Buffers 和 Cache，单位是 KB。
bi 和 bo 则分别表示块设备读取和写入的大小，单位为块 / 秒。因为 Linux 中块的大小是 1KB，所以这个单位也就等价于 KB/s。

正常情况下，空闲系统中，你应该看到的是，这几个值在多次结果中一直保持不变。

接下来，到第二个终端执行 dd 命令，通过读取随机设备，生成一个 500MB 大小的文件：

在 dd 命令运行时， Cache 在不停地增长，而 Buffer 基本保持不变。

在 Cache 刚开始增长时，块设备 I/O 很少，bi 只出现了一次 488 KB/s，bo 则只有一次 4KB。而过一段时间后，才会出现大量的块设备写，比如 bo 变成了 122880。

当 dd 命令结束后，Cache 不再增长，但块设备写还会持续一段时间，并且，多次 I/O 写的结果加起来，才是 dd 要写的 500M 的数据。

下面的命令对环境要求很高，需要你的系统配置多块磁盘，并且磁盘分区 /dev/sdb1 还要处于未使用状态。如果你只有一块磁盘，千万不要尝试，否则将会对你的磁盘分区造成损坏。如果你的系统符合标准，就可以继续在第二个终端中，运行下面的命令。清理缓存后，向磁盘分区 /dev/sdb1 写入 2GB 的随机数据：

首先清理缓存

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

然后运行 dd 命令向磁盘分区 /dev/sdb1 写入 2G 数据

dd if=/dev/urandom of=/dev/sdb1 bs=1M count=2048

然后，再回到终端一，观察内存和 I/O 的变化情况：虽然同是写数据，写磁盘跟写文件的现象还是不同的。写磁盘时（也就是 bo 大于 0 时），Buffer 和 Cache 都在增长，但显然 Buffer 的增长快得多。

对比两个案例，我们发现，写文件时会用到 Cache 缓存数据，而写磁盘则会用到 Buffer 来缓存数据。所以，回到刚刚的问题，虽然文档上只提到，Cache 是文件读的缓存，但实际上，Cache 也会缓存写文件时的数据。

场景 2：磁盘和文件读案例

清理缓存后，从文件 /tmp/file 中，读取数据写入空设备：

首先清理缓存

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches 3

运行 dd 命令读取文件数据

dd if=/tmp/file of=/dev/null

然后，再回到终端一，观察内存和 I/O 的变化情况：观察 vmstat 的输出，你会发现读取文件时（也就是 bi 大于 0 时），Buffer 保持不变，而 Cache 则在不停增长。这跟我们查到的定义“Cache 是对文件读的页缓存”是一致的。

磁盘读，回到第二个终端，运行下面的命令。清理缓存后，从磁盘分区 /dev/sda1 中读取数据，写入空设备：

首先清理缓存

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

运行 dd 命令读取文件

dd if=/dev/sda1 of=/dev/null bs=1M count=1024

然后，再回到终端一，观察内存和 I/O 的变化情况：观察 vmstat 的输出，你会发现读磁盘时（也就是 bi 大于 0 时），Buffer 和 Cache 都在增长，但显然 Buffer 的增长快很多。这说明读磁盘时，数据缓存到了 Buffer 中。

读文件时数据会缓存到 Cache 中，而读磁盘时数据会缓存到 Buffer 中。

总结

Buffer 既可以用作“将要写入磁盘数据的缓存”，也可以用作“从磁盘读取数据的缓存”。

Cache 既可以用作“从文件读取数据的页缓存”，也可以用作“写文件的页缓存”。

简单来说，Buffer 是对磁盘数据的缓存，而 Cache 是文件数据的缓存，它们既会用在读请求中，也会用在写请求中。Buffer 和 Cache 分别缓存磁盘和文件系统的读写数据。

从写的角度来说，不仅可以优化磁盘和文件的写入，对应用程序也有好处，应用程序可以在数据真正落盘前，就返回去做其他工作。

从读的角度来说，既可以加速读取那些需要频繁访问的数据，也降低了频繁 I/O 对磁盘的压力。

指标--缓存命中率

直接通过缓存获取数据的请求次数，占所有数据请求次数的百分比。命中率越高，表示使用缓存带来的收益越高，应用程序的性能也就越好。

cachestat 和 cachetop

Linux 系统中并没有直接提供这些查询缓存的接口：

cachestat 提供了整个操作系统缓存的读写命中情况。

cachetop 提供了每个进程的缓存命中情况。

这两个工具都是 bcc 软件包的一部分，它们基于 Linux 内核的 eBPF（extended Berkeley Packet Filters）机制，来跟踪内核中管理的缓存，并输出缓存的使用和命中情况。

使用 cachestat 和 cachetop 前，我们首先要安装 bcc 软件包。bcc 提供的所有工具就都安装到 /usr/share/bcc/tools 这个目录中了。不过这里提醒你，bcc 软件包默认不会把这些工具配置到系统的 PATH 路径中，所以你得自己手动配置：export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools

以 1 秒的时间间隔，输出了 3 组缓存统计数据：

cachestat 1 3

TOTAL ，表示总的 I/O 次数；

MISSES ，表示缓存未命中的次数；

HITS ，表示缓存命中的次数；

DIRTIES，表示新增到缓存中的脏页数；

BUFFERS_MB 表示 Buffers 的大小，以 MB 为单位；

CACHED_MB 表示 Cache 的大小，以 MB 为单位。

cachetop

跟 top 类似，默认按照缓存的命中次数（HITS）排序，展示了每个进程的缓存命中情况。具体到每一个指标，这里的 HITS、MISSES 和 DIRTIES ，跟 cachestat 里的含义一样，分别代表间隔时间内的缓存命中次数、未命中次数以及新增到缓存中的脏页数。而 READ_HIT 和 WRITE_HIT ，分别表示读和写的缓存命中率。

指标--文件在内存中的缓存大小

pcstat

使用 pcstat 这个工具，来查看文件在内存中的缓存大小以及缓存比例。pcstat 是一个基于 Go 语言开发的工具，所以安装它之前，你首先应该安装 Go 语言

展示了 /bin/ls 这个文件的缓存情况：Cached 就是 /bin/ls 在缓存中的大小，而 Percent 则是缓存的百分比。你看到它们都是 0，这说明 /bin/ls 并不在缓存中。

ls 命令，再运行相同的命令来查看的话，就会发现 /bin/ls 都在缓存中了

实验

新建文件--第一个终端

确认刚刚生成的文件不在缓存中。如果一切正常，你会看到 Cached 和 Percent 都是 0

读文件--第二个终端

运行 dd 命令测试文件的读取速度：

这个文件的读性能是 33.4 MB/s。由于在 dd 命令运行前我们已经清理了缓存，所以 dd 命令读取数据时，肯定要通过文件系统从磁盘中读取。

查看第一个终端缓存命中情况：

cachetop

从 cachetop 的结果可以发现，并不是所有的读都落到了磁盘上，事实上读请求的缓存命中率只有 50% 。

先切换到第二个终端，再次执行刚才的 dd 命令：

磁盘的读性能居然变成了 4.5 GB/s，比第一次的结果明显高了太多。

回到第一个终端，看看 cachetop 的情况：这次的读的缓存命中率是 100.0%，也就是说这次的 dd 命令全部命中了缓存，所以才会看到那么高的性能。

回到第二个终端，再次执行 pcstat 查看文件 file 的缓存情况：

测试文件 file 已经被全部缓存了起来，这跟刚才观察到的缓存命中率 100% 是一致的。

总结

Buffers 和 Cache 都是操作系统来管理的，应用程序并不能直接控制这些缓存的内容和生命周期。所以，在应用程序开发中，一般要用专门的缓存组件，来进一步提升性能。

比如，程序内部可以使用堆或者栈明确声明内存空间，来存储需要缓存的数据。再或者，使用 Redis 这类外部缓存服务，优化数据的访问效率。

posted on 2025-10-12 21:25 chuchengzhi 阅读(133) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

褚成志的小站