Linux中Buffer和Cache的區別
原文：https://www.cnblogs.com/qiaoyanlin/p/6746791.html，侵刪
由本人(liudsl)用markdown重新排版，並作少量修改
相關概念
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Cache： 緩存區，是高速緩存，是位於CPU和主內存之間的容量較小但速度很快的存儲器，因爲CPU的速度遠遠高於主內存的速度，CPU從內存中讀取數據需等待很長的時間，而 Cache保存着CPU剛用過的數據或循環使用的部分數據，這時從Cache中讀取數據會更快，減少了CPU等待的時間，提高了系統的性能。
Cache並不是緩存文件的，而是緩存塊的(塊是I/O讀寫最小的單元)；Cache一般會用在I/O請求上，如果多個進程要訪問某個文件，可以把此文件讀入Cache中，這樣下一個進程獲取CPU控制權並訪問此文件直接從Cache讀取，提高系統性能。
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Buffer： 緩衝區， 用於存儲速度不同步的設備或優先級不同的設備之間傳輸數據；通過buffer可以減少進程間通信需要等待的時間，當存儲速度快的設備與存儲速度慢的設備進行通信時，存儲慢的數據先把數據存放到buffer，達到一定程度存儲快的設備再讀取buffer的數據，在此期間存儲快的設備CPU可以幹其他的事情。
Buffer：一般是用在寫入磁盤的，例如：某個進程要求多個字段被讀入，當所有要求的字段被讀入之前已經讀入的字段會先放到buffer中。
Cache的例子
蓄水池
背景： 假設某地發生了自然災害（比如地震），居民缺衣少食，於是派救火車去給若干個居民點送水。救火車到達第一個居民點，開閘放水，老百姓就拿着盆盆罐罐來接水。
假如說救火車在一個居民點停留100分鐘放完了水，然後重新儲水花半個小時，再開往下一個居民點。這樣一個白天來來來回回的，也就是4-5個居民點。
但我們想想，救火車是何等存在，如果把水龍頭完全打開，其強大的水壓能輕易衝上10層樓以上， 10分鐘就可以把水全部放完。但因爲居民是拿盆罐接水，100%打開水龍頭那就是給人洗澡了，所以只能打開一小部分（比如10%的流量）。但這樣就降低了放水的效率（只有原來的10%了），10分鐘變100分鐘。
那麼，我們是否能改進這個放水的過程，讓救火車以最高效率放完水、儘快趕往下一個居民點呢？
方法就是：在居民點建蓄水池
救火車把水放到蓄水池裏，因爲是以100%的效率放水，10分鐘結束然後走人。居民再從蓄水池裏一點一點的接水。
我們分析一下這個例子，就可以知道Cache的含義了:
- 救火車要給居民送水，居民要從救火車接水，就是說居民和救火車之間有交互，有聯繫。
- 但救火車是“高速設備”，居民是“低速設備”，低速的居民跟不上高速的救火車，所以救火車被迫降低了放水速度以適應居民。
- 爲了避免這種情況，在救火車和居民之間多了一層“蓄水池（也就是Cache）”，它一方面以100%的高效和救火車打交道，另一方面以10%的低效和居民打交道，這就解放了救火車，讓其以最高的效率運行，而不被低速的居民拖後腿，於是救火車只需要在一個居民點停留10分鐘就可以了。
所以說，蓄水池是“活雷鋒”，把高效留給別人，把低效留給自己。把10分鐘留給救火車，把100分鐘留給自己。
從以上例子可以看出，所謂Cache，就是“爲了彌補高速設備和低速設備之間的矛盾”而設立的一箇中間層。因爲在現實裏經常出現高速設備要和低速設備打交道，結果被低速設備拖後腿的情況。
CPU中的Cache和“蓄水池”聯繫
CPU速度很快，但CPU執行的指令是從內存取出的，計算的結果也要寫回內存，但內存的響應速度跟不上CPU。
CPU跟內存說：“你把某某地址的指令發給我”，內存聽到了，但因爲速度慢，遲遲不見指令返回，這段時間，CPU只能無所事事的等待了。這樣一來，再快的CPU也發揮不了效率。
怎麼辦呢？ 在CPU和內存之間加一塊“蓄水池”，也就是Cache（片上緩存），這個Cache速度比內存快，從Cache取指令不需要等待：
- 當CPU要讀內存的指令的時候先讀Cache再讀內存，但一開始Cache是空着的，只能從內存取，這時候的確是很慢，CPU需要等待。
- 但從內存取回的不僅僅是CPU所需要的指令，還有其它的、當前不需要的指令，然後把這些指令存在Cache裏備用。
- CPU再取指令的時候還是先讀Cache，看看裏面有沒有所需指令，如果碰巧有就直接從Cache取，不用等待即可返回（命中），這就解放了CPU，提高了效率。（當然不會是100%命中，因爲Cache的容量比內存小）
CPU的Cache，可以有好幾層，而且還分數據Cache和指令Cache，見上圖
磁盤和內存之間的Cache
磁盤緩存也是一樣，剛纔說內存是慢速設備，所以需要cache(片上緩存)，但這個“慢”是相對於CPU而言的，相對於機械硬盤HDD，內存的速度可快多了
對於磁盤的讀寫操作，在很久以前，讀寫過程需要CPU參與，後來出現了“DMA/直接內存訪問"就不再需要CPU了，但即使如此，高負荷、長時間的磁盤讀寫也非常的耗時，因爲磁盤是機械旋轉部件，其讀寫速度相比CPU和內存條的二進制電壓變化速度，那就是蒸汽機和火箭速度的差別。
爲了加快數據的讀寫速度，在磁盤和內存之間也插入一層Cache（Windows在內存裏劃分出一塊區域作爲Cache，硬盤也有板載Cache）
寫入數據的時候先寫入到Cache裏；因爲Cache很快，所以數據很快就寫入。
比方說，1G的數據，如果直接寫入硬盤需要10秒，但寫入Cache（也就是系統內存）只需要1秒。
這樣一來用戶就有了系統速度很快的“幻覺”。但這只是障眼法，數據暫存在Cache裏並沒有被真正寫入磁盤，等系統空閒的時候再慢慢寫入。
同理，在讀數據的時候，除了所需的數據，還有一堆目前不需要的數據也都被讀出來放到內存的Cache裏。下次再讀的時候，如果恰巧Cache裏有所需的數據就可直接讀入（命中），這就避免了從慢速的HDD讀數據的尷尬。用戶的體驗同樣也是速度很快。（同樣不會100%命中，因爲RAM的容量遠小於硬盤容量）
PC有16G的內存，磁盤Cahce佔用了3.59G，這是動態的，會自動調整大小, 見上圖
硬盤也內置了Cache。某品牌硬盤的廣告強調了大緩存的優勢，見上圖
以上舉了3個栗子：蓄水池、CPU的Cache、磁盤的Cache, Cache的存在是爲了解決什麼問題？速度太慢了，要加快速度！
Buffer的例子
那麼buffer呢？ 請允許我再次舉起栗子。
吐魯番的葡萄
吐魯番的葡萄熟了，要用大卡車裝葡萄運出去賣
果園的姑娘採摘葡萄，當然不是前手把葡萄摘下來,後手就放到卡車上，而是需要一箇中間過程“籮筐”：摘葡萄→放到籮筐裏→把籮筐裏的葡萄倒入卡車。
也就是說，雖然最終目的是“把葡萄倒入卡車”，但中間必須要經過“籮筐”的轉手，這裏的籮筐就是Buffer，是“暫時存放物品的空間”。
注意2個關鍵詞：暫時，空間 ，再換句話說，爲了完成最終目標：把葡萄放入卡車的空間，需要暫時把葡萄放入籮筐的空間。
BT下載
BT下載需要長時間的掛機，電腦就有可能24小時連軸轉，但BT下載的數據是碎片化的，體現在硬盤寫入上也是碎片化的，因爲硬盤是機械尋址器件，這種碎片化的寫入會造成硬盤長時間高負荷的機械運動，造成硬盤過早老化損壞，當年有大量的硬盤因爲BT下載而損壞。
於是新出的BT軟件在內存裏開闢了Buffer，數據暫時寫入Buffer，攢到一定的大小（比如512M）再一次性寫入硬盤，這種“化零爲整”的寫入方式大大降低了硬盤的負荷。
這就是，爲了完成最終目標：把數據寫入硬盤空間，需要暫時寫入Buffer的空間。
編程爲例
假設要實現一個功能：接受用戶鍵入的字符串，並賦值給一個字符串變量
其過程如下：
- 在內存中開闢一個”鍵盤緩衝區“接受用戶鍵入的字符串
- 把緩衝區中的字符串copy到程序中定義的字符串變量指向的內存空間（也就是賦值過程）
也就是說，爲了完成最終目標：把字符串放入字符串變量指向的空間，需要暫時把字符串放入“鍵盤緩衝區”的空間。
以上舉的3個栗子：籮筐、BT的Buffer，鍵盤緩衝區的Buffer
Buffer的存在是爲了解決什麼問題？找個臨時的存儲空間！
Buffer和Cache的區別
- Buffer（緩衝區）是系統兩端處理速度平衡（從長時間尺度上看）時使用的。它的引入是爲了減小短期內突發I/O的影響，起到流量整形的作用。比如生產者——消費者問題，他們產生和消耗資源的速度大體接近，加一個buffer可以抵消掉資源剛產生/消耗時的突然變化。
- Cache（緩存）則是系統兩端處理速度不匹配時的一種折衷策略。因爲CPU和memory之間的速度差異越來越大，所以人們充分利用數據的局部性（locality）特徵，通過使用存儲系統分級（memory hierarchy）的策略來減小這種差異帶來的影響。
- 假定以後存儲器訪問變得跟CPU做計算一樣快，cache就可以消失，但是buffer依然存在。比如從網絡上下載東西，瞬時速率可能會有較大變化，但從長期來看卻是穩定的，這樣就能通過引入一個buffer使得OS接收數據的速率更穩定，進一步減少對磁盤的傷害。
以上觀點屬於程老大，無節操默寫
總結：
- Cache和Buffer的相同點：都是2個層面之間的中間層，都是內存
- Cache和Buffer的不同點：Cache解決的是時間問題，Buffer解決的是空間問題
- 爲了提高速度，引入了Cache這個中間層
- 爲了給信息找到一個暫存空間，減小短期內突發I/O的影響，引入了Buffer這個中間層
- 爲了解決2個不同維度的問題（時間、空間），恰巧取了同一種解決方法：加入一箇中間層，先把數據寫到中間層上，然後再寫入目標。這個中間層就是內存“RAM”，既然是存儲器就有2個參數：寫入的速度有多塊（速度），能裝多少東西（容量）
- Cache利用的是RAM提供的高讀寫速度，Buffer利用的是RAM提供的存儲容量（空間）