深入学习Linux：探究读写缓冲区原理(linux读写缓冲区)

Linux是一种自由和开放源代码的类Unix操作系统，被广泛应用于服务器、超级计算机、移动设备等领域，成为全球更流行的服务器操作系统之一。Linux内核作为操作系统的核心，不仅提供了操作系统的基本功能，还包含了众多负责具体硬件控制和管理的模块。其中读写缓冲区是Linux内核中非常重要的一部分，本文将介绍读写缓冲区的原理和实现过程。

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1. 什么是读写缓冲区

读写缓冲区是Linux内核中负责管理输入输出缓冲区的一个子系统，主要用于把外部设备传来的数据和操作系统中的数据进行交换。读写缓冲区可以理解成是内核和外部设备之间的一个缓冲区，其主要作用是在内存和外部设备之间建立一个缓冲区，使得内存中的数据可以被读取或写入到外部设备中，同时在外部设备的读取或写入速度比较慢时，还可以缓存一部分数据，提高数据的操作速度。

2. 读写缓冲区的实现原理

在Linux内核中，读写缓冲区的实现使用了一些缓存技术，包括页面高速缓存（Page Cache），缓存块设备访问模式（Buffered Block Device Access），以及直接内存访问（Direct Memory Access）等技术。

其中，页面高速缓存（Page Cache）是Linux内核中最重要的缓存技术之一，它是一种基于文件系统的缓存技术，主要用于加快文件访问的速度。在文件系统中，内核会对打开的文件进行缓存以提高其访问速度，当应用程序需要访问这个文件时，内核会优先从缓存中读取文件，如果文件已经在缓存中存在，则直接从缓存中读取，否则再从磁盘中将它调入到缓存中。由于磁盘的读取速度比较慢，使用页面高速缓存可以极大地提高文件的读取速度，同时也可以减少磁盘的读写操作，降低硬件的损耗。

此外，缓存块设备访问模式（Buffered Block Device Access）也是Linux内核中常用的一种缓存技术，主要用于加快块设备访问的速度。在块设备的访问中，内核会对读写请求进行缓存，当块设备需要访问时，内核会直接从缓存中读取，而不是每次都需要从磁盘中读取。如此一来，可以减少磁盘的访问次数，提高块设备的访问效率。

直接内存访问（Direct Memory Access）是一种数据传输技术，在读写缓冲区的实现中也有所应用，它可以在不经过CPU的情况下直接将内存中的数据传输到外设中，从而极大地提高了数据传输速度。但是由于这种技术比较复杂，同时也需要硬件的支持，因此在应用中并不是很普遍。

3. 读写缓冲区的应用

读写缓冲区在Linux内核中应用广泛，它可以应用于文件I/O操作、网络数据传输、块设备操作等多个领域。

在文件I/O操作中，读写缓冲区可以提供文件的读取和写入的缓存，使得文件读写操作更加高效，同时也避免了频繁访问磁盘的问题。

在网络数据传输中，读写缓冲区可以提供套接字的读取和写入缓存，使得网络传输更加稳定和高效，同时也提高了网络传输的吞吐量。

在块设备操作中，读写缓冲区可以提供块设备的读取和写入缓存，进一步优化了块设备的访问效率，使得磁盘访问更加高效和可靠。

读写缓冲区是Linux内核中非常重要的一部分，其应用范围广泛，可以使得操作系统更加高效、稳定、可靠。对于想要深入了解Linux内核的研究人员和工程师而言，掌握读写缓冲区的原理和应用是非常重要的一步，有助于提高Linux系统的性能和可靠性。

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如何控制Linux清理cache机制

Linux下的缓存机制及清理buffer/cache/swap的方法梳理

（1）缓存机制

为了提高文件系统性能，内核利用一部分物理内存分配出缓冲区，用于缓存系统操作和数据文件，当内核收到读写的请求时，内核先去缓存区找是否有请求的数据，有就直接返回，如果没有则通过驱动程序直接迟槐操作磁盘。

缓存机制优点：减少系统调用次数，降低CPU上下文切换和磁盘访问频率。

CPU上下文切换：CPU给每个进程一定的服务时间，当时间片用完后，内核从正物缺在运行的进程中收回处理器，同时把进程当前运行状态保存下来，然后加载下一个任务，这个过程叫做上下文切换。实质上就是被终止运行进程与待运行进程的进程切换。

（2）查看缓存区及内存使用情况

# free -m

total used free shared buffers cached

Mem:

-/+ buffers/cache:

Swap:0

可以看到内存总共8G，已使用7725M，剩余141M，不少的码蚂友人都是这么看的，这样并不能作为实际的使用率。因为有了缓存机制，具体该怎么算呢？

空闲内存=free（141）+buffers（74）+cached（6897）

已用内存=total（7866）-空闲内存

由此算出空闲内存是7112M，已用内存754M，这才是真正的使用率，也可参考-/+ buffers/cache这行信息也是内存正确使用率。

（3）可见缓存区分为buffers和cached，他们有什么区别呢？

内核在保证系统能正常使用物理内存和数据量读写情况下来分配缓冲区大小。buffers用来缓存metadata及pages，可以理解为系统缓存，例如，vi打开一个文件。cached是用来给文件做缓存，可以理解为数据块缓存，例如，dd if=/dev/zero of=/tmp/test count=1 bs=1G 测试写入一个文件，就会被缓存到缓冲区中，当下一次再执行这个测试命令时，写入速度会明显很快。

（4）随便说下Swap做什么用的呢？

Swap意思是交换分区，通常我们说的虚拟内存，是从硬盘中划分出的一个分区。当物理内存不够用的时候，内核就会释放缓存区（buffers/cache）里一些长时间不用的程序，然后将这些程序临时放到Swap中，也就是说如果物理内存和缓存区内存不够用的时候，才会用到Swap。

swap清理：

swapoff -a && swapon -a

注意：这样清理有个前提条件，空闲的内存必须比已经使用的swap空间大

（5）怎样释放缓存区内存呢？

a)直接改变内核运行参数

#释放pagecache

echo 1 >/proc/sys/vm/drop_caches

#释放dentries和inodes

echo 2 >/proc/sys/vm/drop_caches

#释放pagecache、dentries和inodes

echo 3 >/proc/sys/vm/drop_caches

b)也可以使用sysctl重置内核运行参数

sysctl -w vm.drop_caches=3

注意：这两个方式都是临时生效，永久生效需添加sysctl.conf文件中，一般写成脚本手动清理，建议不要清理。

修改/etc/sysctl.conf 添加如下选项后就不会内存持续增加

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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