聊聊linux的文件缓存

序

本文主要研究一下linux的文件缓存

文件缓存

linux使用page cache来缓存最近读取的文件，也有目录结构(dcache: Directory Entry Cache)缓存及inode缓存，它们都使用了LRU算法来管理这些page及dentries cache

vmstat

## vmstat
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 5076692 1664208   1032 35263320    0    0     0     4    0    0  0  0 99  0  0

vmstat显示的memory中的cache部分即是文件缓存，单位为kb

free

free -m
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          64038       27974        1619        3208       34444       32370
Swap:         32127        4957       27170

free命令显示的buff/cache部分包含了buffer memory及swap cache

meminfo

cat /proc/meminfo | grep ^Cached
Cached:          2942600 kB

/proc/meminfo中的Cached展示了page cache大小

配置

/etc/sysctl.conf包含我们可以在运行时设置的系统范围内的内核参数，sysctl只是临时改动，如果用使得参数变更持久化则需要更改到这个文件。要在不重新启动的情况下应用/etc/sysctl.conf文件中的更改，我们可以使用sysctl的-p开关

sudo sysctl -p

vm.vfs_cache_pressure

vm.vfs_cache_pressure用来控制内核回收page与dentries(dcache及inode cache)的倾向性。

• 默认值100，即内核自己根据情况将二者在一个合理的比例
• 较低的值(低于100)则使其倾向于回收page cache，来保留dentries cache。
• 较高的值(高于100)会使内核更倾向于回收dentries cache，来保留page cache。

如下设置则让内核倾向于回收page cache

sudo sysctl -w vm.vfs_cache_pressure=50

vm.swappiness

用于控制使用swap分区的倾向性

• 默认值为60，意味着内核会在RAM使用率达到60%(可用RAM低于40%)时开始使用swap分区
• 较低的值则倾向使用RAM，尽量少使用swap分区，比如0则表示内核在RAM(Random Access Memory)严重不足时才使用swap分区，即page cache尽可能得缓存在了RAM
• 较高的值则倾向使用swap分区，比如100则表示内核非常积极使用swap分区，即使还有比较多的RAM可用，即page cache更多的是在swap分区

如下设置则让内核尽可能使用RAM

sudo sysctl -w vm.swappiness=10

vm.dirty相关参数

sysctl -a | grep dirty
vm.dirty_background_ratio = 10
vm.dirty_background_bytes = 0
vm.dirty_ratio = 20
vm.dirty_bytes = 0
vm.dirty_expire_centisecs = 3000
vm.dirty_writeback_centisecs = 500

这些参数用于控制脏数据(已经被修改但是未写入到硬盘)何时写入硬盘
如果我们用_bytes设置vm.的值，则vm._ratio变量将变为0，反之亦然
除了通过sysctl -a，也可以通过cat /proc/sys/vm/dirty_background_ratio这样子来查看

vm.dirty_background_ratio与vm.dirty_background_bytes

用于设置内存中可以存储脏数据的最大数量。例如，如果你的系统有32GB的内存，并且vm.dirty_background_ratio设置为10，那么最多可以有3.2GB的脏数据存储在内存中，超过这个数值后，就会触发脏数据的写入操作；而vm.dirty_background_bytes则是指定了绝对值，单位bytes

sudo sysctl -w vm.dirty_background_ratio=10
sudo sysctl -w vm.dirty_background_bytes=511870912

vm.dirty_ratio与vm.dirty_bytes

用来设置整个系统可以存储脏数据的最大数量的。例如，如果你的系统有32GB的内存，并且vm.dirty_ratio设置为20，那么最多可以有6.4GB的脏数据存储在整个系统中，超过这个数值后，就会触发脏数据的写入操作；而vm.dirty_bytes则是指定了绝对值，单位bytes；与vm.dirty_background_ratio的区别在于当系统到达此点时，必须将所有脏数据提交到磁盘，同时所有新的I/O块都会被阻塞，直到脏数据被写入磁盘

sudo sysctl -w vm.dirty_ratio=20
sudo sysctl -w vm.dirty_bytes=511870912

vm.dirty_writeback_centisecs与vm.dirty_expire_centisecs

在断电的情况下，缓存在系统内存中的数据有丢失的风险。因此，为了保护系统免于数据丢失_centisecs系列的参数决定了将数据写入辅助存储的时间和频率。
vm.dirty_expire_centisecs管理数据在写入驱动器之前在缓存中可以存活多长时间。

如下设置可以在缓存中保留40秒，1s等于100 centisecs，当pdflush/flush/kdmflush在运行的时候，他们会检查是否有数据超过这个时限，如果有则会把它异步地写到磁盘中

sudo sysctl -w vm.dirty_expire_centisecs=4000

vm.dirty_writeback_centisecs是后台进程检查是否有数据要写入辅助存储的频率，即指定多长时间pdflush/flush/kdmflush这些进程会唤醒一次，然后检查是否有缓存需要清理。该值越低，频率越高。

如下配置为每5秒检查一次缓存

sudo sysctl -w vm.dirty_writeback_centisecs=500

删除cache

我们可以通过往/proc/sys/vm/drop_caches写入指定的值来指定怎么删除cache

删除示例

# 查看当前的drop_caches值
cat /proc/sys/vm/drop_caches

# 将drop_caches值设置为1，释放页缓存
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches

# 将drop_caches值设置为2，释放目录项和节点缓存
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches

# 将drop_caches值设置为3，释放页缓存、目录项和节点缓存
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

这是一个非破坏性的操作，并且不会释放脏对象的内存。因此，在进行此操作前，需要先运行sync命令，确保所有未写的系统缓冲区都已经被写入到磁盘中，包括已修改的i节点、已延迟的块I/O和读写映射文件

删除失败

vmtouch可以将文件内容锁定在内存中，因而drop cache可能没有效果，比如

vmtouch -tl test.dat
LOCKED 492712 pages (1G)

cat /proc/meminfo | grep ^Cached &&
sudo bash -c 'sync; echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches' &&
cat /proc/meminfo | grep ^Cached

Cached:          3336092 kB
Cached:          3169224 kB

可以看到这里无法释放锁定的cache，可以通过memlock来限定每个进程最大锁定的大小(/etc/security/limits.conf)

配置

*                hard    memlock     unlimited
*                soft    memlock     unlimited

查看

ulimit -Ha | grep locked
max locked memory           (kbytes, -l) 2033684

小结

linux使用page cache来缓存最近读取的文件，也有目录结构(dcacheDirectory Entry Cache)缓存及inode缓存，它们都使用了LRU算法来管理这些page及dentries cache

• 可以通过vmstat、free、/proc/meminfo来查看
• 可以通过vm.vfs_cache_pressure、vm.swappiness、vm.dirty_*来配置
• 可以通过设置/proc/sys/vm/drop_caches的值来进行删除

doc

• How to Configure File System Caching in Linux
• Dropping Page Cache in Linux
• Restrict Size of the Buffer Cache in Linux