free命令显示的buffers与cached的区别
free命令显示的buffers与cached的区别
据说很少有人能说清楚 free 命令所显示的 “buffers” 与 “cached” 之间的区别：
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3848656 2983016 865640 5312 324432 2024904
-/+buffers/cache: 633680 3214976
Swap: 2031612 0 2031612
我们先列出结论，如果你对研究过程感兴趣可以继续阅读后面的段落：
“buffers” 表示块设备(block device)所占用的缓存页，包括：直接读写块设备、以及文件系统元数据(metadata)比如SuperBlock所使用的缓存页；
“cached” 表示普通文件数据所占用的缓存页。
下面是分析过程：先从用 strace 跟踪 free 命令开始，看能不能发现它是如何计算 “buffers” 和 “cached” 的：
# strace free
...
open("/proc/meminfo",O_RDONLY) =3
lseek(3,0,SEEK_SET) =0
read(3,"MemTotal: 3848656 kB\nMemF"...,2047)=1170
...
显然 free 命令是从 /proc/meminfo 中读取信息的，跟我们直接读到的结果一样：
# cat /proc/meminfo
MemTotal: 3848656kB
MemFree: 865640kB
Buffers: 324432kB
Cached: 2024904kB
...
SwapTotal: 2031612kB
SwapFree: 2031612kB
...
Shmem: 5312kB
...
那么 /proc/meminfo 中的 “Buffers” 和 “Cached” 又是如何得来的呢？这回没法偷懒，只能去看源代码了。源代码文件是：fs/proc/meminfo.c ，我们感兴趣的函数是：meminfo_proc_show()，阅读得知：
“Buffers” 来自于 nr_blockdev_pages() 的返回值。
“Cached” 来自于以下公式：
global_page_state(NR_FILE_PAGES) – total_swapcache_pages – i.bufferram
以上计算cached的公式中，global_page_state(NR_FILE_PAGES) 来自 vmstat[NR_FILE_PAGES]，表示所有的缓存页(page cache)的总和，它包括：
Cached
buffers
交换区缓存(swap cache)
这里简单解释一下swap cache：
那些匿名内存页，比如用户进程通过malloc()申请的内存页是没有关联任何文件的（有别于backing storage基于磁盘文件的内存页），如果发生swapping换页，这类内存页会被写入交换区。从一个匿名内存页被确定要被换页开始，它就被计入了swap cache，但是不一定会被立刻写入物理交换区，因为Linux的原则是除非绝对必要，尽量避免I/O。所以swap cache中包含的是被确定要swapping换页、但是尚未写入物理交换区的匿名内存页。
vmstat[NR_FILE_PAGES] 可以通过 /proc/vmstat 来查看，表示所有缓存页的总数量：
# cat /proc/vmstat
...
nr_file_pages587334
...
注意以上nr_file_pages是以page为单位，而不像free命令是以KB为单位，一个page等于4KB。
直接修改 nr_file_pages 的内核函数是：
__inc_zone_page_state(page, NR_FILE_PAGES) 和
__dec_zone_page_state(page, NR_FILE_PAGES)，
一个用于增加，一个用于减少。
先看”cached”：
“Cached” 就是除去 “buffers” 和 “swap cache” 之外的缓存页的数量：
global_page_state(NR_FILE_PAGES) – total_swapcache_pages – i.bufferram
所以关键还是要理解 “buffers” 是什么含义。
来看看”buffers” ：
从源代码中看到，”buffers” 来自于 nr_blockdev_pages() 的返回值，我们来看一下这个函数是干什么的：
longnr_blockdev_pages(void)
{
structblock_device *bdev;
longret=0;
spin_lock(&bdev_lock);
list_for_each_entry(bdev,&all_bdevs,bd_list){
ret+=bdev->bd_inode->i_mapping->nrpages;
}
spin_unlock(&bdev_lock);
returnret;
}
这段代码很简单，意思是遍历所有的块设备(block device)，累加每个块设备的inode的i_mapping的页数，统计得到的就是 buffers。所以很明显，buffers 是与块设备直接相关的。
那么谁会更新块设备的缓存页数量(nrpages)呢？我们继续向下看。
搜索kernel源代码发现，最终更新mapping->nrpages字段的函数就是add_to_page_cache和__remove_from_page_cache：
staticinline intadd_to_page_cache(structpage *page,
structaddress_space *mapping,pgoff_t offset,gfp_t gfp_mask)
{
interror;
__set_page_locked(page);
error=add_to_page_cache_locked(page,mapping,offset,gfp_mask);
if(unlikely(error))
__clear_page_locked(page);
returnerror;
}
voidremove_from_page_cache(structpage *page)
{
structaddress_space *mapping=page->mapping;
void(*freepage)(structpage *)=NULL;
structinode *inode=mapping->host;
BUG_ON(!PageLocked(page));
if(IS_AOP_EXT(inode))
freepage=EXT_AOPS(mapping->a_ops)->freepage;
spin_lock_irq(&mapping->tree_lock);
__remove_from_page_cache(page);
spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);
if(freepage)
freepage(page);
}
这两个函数是通用的，block device 和 文件inode 都可以调用，至于更新的是块设备的(buffers)还是文件的(cached)，取决于调用参数变量mapping：如果mapping对应的是文件inode，自然就不会影响到 “buffers”；如果mapping对应的是块设备，那么相应的统计信息会反映在 “buffers” 中。我们下面看看kernel中哪些地方会把块设备的mapping传递进来。
搜索内核源代码发现，ext4_readdir 函数调用 page_cache_sync_readahead 时传递的参数是 sb->s_bdev->bd_inode->i_mapping，其中s_bdev就是块设备，也就是说在读目录(ext4_readdir)的时候可能会增加 “buffers” 的值：
staticintext4_readdir(structfile *filp,
void*dirent,filldir_t filldir)
{
...
structsuper_block *sb=inode->i_sb;
...
if(!ra_has_index(&filp->f_ra,index))
page_cache_sync_readahead(
sb->s_bdev->bd_inode->i_mapping,
&filp->f_ra,filp,
index,1);
...
}
继续琢磨上面的代码，sb表示SuperBlock，属于文件系统的metadata（元数据），突然间一切恍然大悟：因为metadata不属于文件，没有对应的inode，所以，对metadata操作所涉及的缓存页都只能利用块设备mapping，算入 buffers 的统计值内。
打个岔：ext4_readdir() 中调用 page_cache_sync_readahead() 显然是在进行预读(read-ahead)，为什么read-ahead没有使用普通文件inode的mapping，而是使用了底层的块设备呢？从记载在补丁中的说明来看，这是一个权宜之计，看这里，所以不必深究了。
举一反三，如果文件含有间接块(indirect blocks)，因为间接块属于metadata，所以走的也是块设备的mapping。查看源代码，果然如此：
ext4_get_blocks
-> ext4_ind_get_blocks
-> ext4_get_branch
-> sb_getblk
staticinline structbuffer_head *
sb_getblk(structsuper_block *sb,sector_t block)
{
return__getblk(sb->s_bdev,block,sb->s_blocksize);
}
这样，我们就知道了，”buffers” 是块设备(block device)占用的缓存页，分为两种情况：
直接对块设备进行读写操作；
文件系统的metadata（元数据），比如 SuperBlock。
验证：
现在我们来做个测试，验证一下上述结论。既然读取EXT4文件系统的目录会使用到 “buffers”，我们用 find 命令扫描文件系统，观察 “buffers” 增加的情况：
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3848656 2889508 959148 5316 263896 2023340
-/+buffers/cache: 602272 3246384
Swap: 2031612 0 2031612
# find / -name abc.def
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3848656 2984052 864604 5320 319612 2023348
-/+buffers/cache: 641092 3207564
Swap: 2031612 0 2031612
再测试一下直接读取block device，观察”buffers”增加的现象：
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3848656 3006944 841712 5316 331020 2028648
-/+buffers/cache: 647276 3201380
Swap: 2031612 0 2031612
# dd if=/dev/sda1 of=/dev/null count=2000
2000+0records in
2000+0records out
1024000bytes(1.0MB)copied,0.026413s,38.8MB/s
# free
total used free shared buffers cached
Mem: 3848656 3007704 840952 5316 331872 2028692
-/+buffers/cache: 647140 3201516
Swap: 2031612 0 2031612
结论：
free 命令所显示的 “buffers” 表示块设备(block device)所占用的缓存页，包括直接读写块设备、以及文件系统元数据(metadata)如SuperBlock所使用的缓存页；
而 “cached” 表示普通文件所占用的缓存页。
本文永久更新链接地址：
评论暂时关闭