Linux 面试经典：buff 和 cache 到底有什么区别？用 vmstat 看懂 Page Cache 与 Buffer Cache

buff 和 cache 都会使用内存临时存放数据，它们到底有什么区别？“我的 free 内存怎么只剩一点了，系统是不是快要出问题了？”

本文将简要介绍 Linux 的内存机制，说明 buff 和 cache 各自缓存什么、为什么在现代内核中 buff 通常很小，并通过一个 vmstat 小实验，让两个指标分别“动起来”。

Buffer 与 Cache

教科书式的定义是：

• Buffer（缓冲区）：暂存“正在传输中”的数据。当数据在速度不匹配的组件之间传输时，例如应用程序写入磁盘，数据不会立刻到达目的地，而是先进入 buffer，让内核可以把零散写入合并为更大的批次，再批量写入磁盘。这对顺序 I/O尤其有效。
• Cache（缓存）：暂存“已经读取、之后可能再次使用”的数据。把常用数据保留在速度更快的存储层（RAM）中，下次使用时便不必再从较慢的磁盘读取。CPU 缓存、磁盘缓存和文件系统缓存都遵循同样的原则。

一句话总结：buffer 更注重协调数据传输，cache 更注重保留数据以便复用。¹ 不过，这只是一般概念，不能直接理解成 Linux 中“buffer 只负责写、cache 只负责读”。普通文件的缓冲读取（buffered read）、缓冲写入（buffered write）和 mmap() 都会经过 Page Cache；写入会先把缓存页标记为 dirty page，之后再由内核写回存储设备。^{2 3}

Linux 中的实际含义：Page Cache 与 Buffer Cache

上面的定义是通用概念，但在 Linux 内存管理中，Buffers 和 Cached——也就是 /proc/meminfo 中的两个字段——有更加具体的含义。⁴

💡 内存统计中有两个容易忽略的细节

Cached 不全是磁盘缓存。 tmpfs / shmem 也包括在 Cached 中；如果只想粗略估算基于磁盘的文件缓存，可以查看 Cached - Shmem。在未配置 swap、且这些页面尚未释放时，这部分内存不能像干净的文件缓存页一样直接丢弃。⁵

并非所有文件系统元数据都计入 Buffers。 只有部分文件系统的磁盘元数据块会使用 buffer head。VFS 的 inode 对象与 dentry 对象是独立的内存缓存，通常计入 Slab / SReclaimable。^{6 4}

这里还有一段值得了解的历史：早期的 Page Cache 和 Buffer Cache 是两套独立缓存；两者后来完成合并，并在 Linux 2.4 时期消除了文件数据写回所需的额外副本。现代内核中的 Buffer Cache 仍然存在，但 buffer head 会指向 Page Cache 中的页面。^{7 8} 因此，现在的 Buffers 主要反映原始磁盘块，而不是普通文件内容；在多数工作负载中，它通常远小于 Cached。

如果在面试或排障时遇到这个问题，可以给出更准确的回答：

Cached 主要是 Page Cache，也包括 tmpfs / shmem；Buffers 反映块设备的原始磁盘块，以及部分文件系统使用的元数据块；inode / dentry 对象则大多位于可回收的 slab 内存中。从 procps-ng 3.3.10 开始，free 默认使用 buff/cache 汇总显示，并加入 available；当前版本的 buff/cache 实际为 Buffers + Cached + SReclaimable。^{9 10}

从 I/O 栈看 Page Cache 与 Buffer Cache 的位置

展开整个 Linux I/O 路径后，两者的分工会更加直观。¹¹

Linux I/O 路径：Page Cache 与 Buffer Cache 的位置

图中的文件系统元数据指磁盘上的元数据块；VFS 的 inode / dentry 对象则属于前面提到的 slab 缓存。

• 文件系统路径：应用程序对普通文件执行 read() / write() → VFS → Page Cache。读取命中缓存时，数据直接从 RAM 返回；缓存未命中或需要写回 dirty page 时，I/O 才通过文件系统进入 Block Layer 与磁盘。²
• 原始块设备路径：对 /dev/sdX 之类的块设备执行普通 buffered I/O 时，不经过已挂载文件系统的文件映射逻辑，但仍会使用该块设备自己的页缓存映射（page-cache mapping）；这些页面计入 Buffers。¹²
• 部分文件系统也使用 buffer head 管理日志或磁盘元数据块，但 VFS inode / dentry 对象使用的是另一套 slab 缓存。
• 两条路径最终都会汇入 Block Layer → Device Driver → 物理设备。数据库等自行管理缓存的应用程序可以使用 O_DIRECT 绕过 Page Cache；I/O 仍然会经过文件系统与 Block Layer，而不是直接调用硬件。²

使用 vmstat 观察 buff 与 cache

vmstat 是观察系统内存、I/O 和 CPU 的基础工具。vmstat 1 5 表示每秒采样一次，共输出 5 组结果。第一行数据是系统启动以来的平均值，之后各行才是每个采样区间的数值。¹³

$ vmstat 1 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0      0 123456  7890  56789    0    0   100   200  300  400 10  5 80  5  0
 0  1      0 120000  7895  56800    0    0   150   250  320  410 12  4 78  6  0
 2  0      0 118500  7898  56810    0    0   180   220  330  420 9   6 82  3  0
 1  0      0 116800  7902  56825    0    0   120   210  310  430 11  3 81  5  0
 0  0      0 115000  7905  56835    0    0   140   230  300  390 13  4 77  6  0

与本文相关的字段包括：

• free：空闲内存
• buff：用作 buffer 的内存，对应 /proc/meminfo 中的 Buffers
• cache：由 procps-ng 汇总计算的缓存值，当前为 Cached + SReclaimable
• bi / bo：每秒从块设备读取或写入的 KiB；不受 vmstat -S 显示单位选项的影响^{13 14}

上面的数值是示意数据。在实际观察中，如果 bi / bo 持续有读写量，而 free 下降、buff 或 cache 上升，通常表示内核正在把块设备数据或文件数据保留在内存中。仅凭这一现象并不能说明内存异常。¹⁵

实验：让 buff 和 cache 分别动起来

只看定义仍然比较抽象，直接实验最容易理解。先清空缓存，建立干净的基线：

# 将 dirty page 写回磁盘，并清空 page cache、dentry、inode cache
$ sync
$ echo 3 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches

drop_caches=3 会丢弃干净的 Page Cache 和可回收的 slab 对象，包括 dentry / inode 缓存。它不会丢弃脏对象（dirty objects），因此先执行 sync 可以让实验结果更容易解读。该接口适合测试和调试，不建议用作日常“释放内存”的手段，因为后续重建缓存会产生额外的 I/O 与 CPU 开销。¹⁶

场景一：读取普通文件 → cache 上升

先确认测试文件位于基于磁盘的文件系统，而不是 tmpfs。在一个终端运行 vmstat -y 1（-y 会省略系统启动以来的第一行平均值），在另一个终端读取大文件：

$ dd if=/var/tmp/bigfile of=/dev/null bs=1M status=progress

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0      0 7452100  2120   98500    0    0     0     0  120  210  1  0 99  0  0
 1  0      0 6890200  2135  652800    0    0 524288    0  850 1600  2 12 70 16  0
 1  0      0 6320400  2150 1214500    0    0 524288    0  860 1620  1 13 68 18  0

文件内容进入 Page Cache，因此在这组示意输出中，cache 每秒增加约 500 MiB，而 buff 几乎不变。实际增幅会受到文件大小、读取速度、已有缓存以及其他系统活动的影响。

场景二：直接读取原始块设备（raw block device）→ buff 上升

重新执行前面的 sync 与 drop_caches，然后使用 lsblk 确认设备名称，并把下面的 /dev/sdX 替换成实际设备。这个命令只读取设备并把数据丢弃到 /dev/null；不要把 if 与 of 写反，也不要加入 iflag=direct，否则会绕过需要观察的缓存：

$ sudo dd if=/dev/sdX of=/dev/null bs=1M count=1024 status=progress

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0      0 7450300   2150  99200    0    0     0     0  115  200  1  0 99  0  0
 1  0      0 6980100 471300  99800    0    0 460800    0  830 1550  1 11 71 17  0
 1  0      0 6420500 1023800 100300   0    0 524288    0  855 1590  2 12 69 17  0

这次对块设备执行缓冲读取（buffered read），数据进入该设备的页缓存映射，而 /proc/meminfo 会把这些页面列入 Buffers，所以 buff 明显上升，cache 几乎不变。¹²

两个实验对比后，buff 和 cache 的分工就很清楚了：普通文件内容主要体现在 cache 中，块设备映射中的原始磁盘块则体现在 buff 中。实验数值不必与示例完全相同；后台服务、文件系统和内核版本都可能让其他字段同时发生变化。

常见误解：free 很低不是坏事

最后，再回到开头那个常见的疑问：free 很低，是否意味着内存不足？Linux 会利用空闲 RAM 进行缓存，因此 free 很低本身并不代表系统发生故障。当应用程序需要内存时，可以回收干净的文件缓存和一部分可回收的 slab 内存；dirty page 必须先写回，正在使用的 slab 对象，或者在未配置 swap 时无法换出的 shmem，则不一定能立即回收。^{4 10}

判断内存是否紧张时，不要只看 free：

• 查看 free 命令输出的 available 字段：它估算在不触发 swap 的情况下，还有多少内存可供新应用程序使用；计算时会考虑 Page Cache、可回收的 slab 内存和内存区域低水位线（zone low watermarks）。⁴
• 查看 vmstat 的 si / so：持续的换入和换出（swap in / out）是内存压力的重要信号；仅仅看到已经使用了一些 swap 空间，并不代表系统当前正在发生内存颠簸（thrashing）。¹⁷

总结

• 从一般概念来说，buffer 注重协调数据传输，cache 注重保留可复用数据；这不等于 Linux 中的“写入与读取”
• Linux 的 Cached 主要反映 Page Cache，也包括 tmpfs / shmem；普通文件的缓冲读取和缓冲写入都会经过它
• Buffers 主要反映块设备映射中的原始磁盘块，以及部分文件系统使用的元数据块；inode / dentry 对象通常位于可回收的 slab 内存中
• Page Cache 与 Buffer Cache 在 Linux 2.4 时期完成统一，现代系统中的主要文件缓存是 Page Cache
• 使用 vmstat 1 对比“读取普通文件与读取原始块设备”，可以清楚看到 cache 与 buff 分别上升
• free 很低不等于内存不足，还需要进一步查看 available 和 swap 活动

参考资料