Linux 使用内存缓存减少磁盘 I/O

发表于 阅读次数： 评论数： 本文字数： 1.6k 阅读时长 ≈ 1 分钟

前言

在 Linux 系统中，磁盘 I/O 往往是性能瓶颈。当应用程序频繁读取大文件（例如多媒体文件、数据库文件、日志文件）时，系统可能因为 I/O 等待而变得非常卡顿。为了减少磁盘压力、提升性能，Linux 提供了多种利用内存作为缓存的机制，例如：tmpfs、ramfs、Page Cache（页缓存）。本文将详细介绍这些机制的使用方法及区别，并给出常见的实践方案。

tmpfs

tmpfs 的概述

  • tmpfs 是一种基于内存的文件系统：

    • 文件实际存储在内存 + 交换分区（Swap）中
    • 支持容量限制（挂载时可指定大小）
    • 内存不足时，tmpfs 文件可以被交换到 Swap
    • tmpfs 的文件内容本质上就是 Page Cache
    • 不会导致 OOM（Out of Memory）
    • 适合存放临时文件、缓存数据
    • 典型的挂载点：/dev/shm、/run

  • tmpfs 的主要特点

    • 支持创建目录（无限层级）
    • 支持普通文件
    • 支持符号链接、硬链接
    • 支持权限、UID/GID
    • 支持文件删除（立即释放内存）
    • 支持调整大小（动态扩缩）
    • 系统重启后会丢失所有数据

  • tmpfs 的适用场景

    • 程序临时文件
    • 加速频繁读写的小文件
    • 构建系统（make、npm、cargo 等）
    • OBS、FFmpeg 等读取多媒体文件减少磁盘压力

tmpfs 的使用

  • 创建挂载点
1
sudo mkdir -p /mnt/ramdisk
  • 挂载 tmpfs
1
2
# 比如限制 4GB 容量
sudo mount -t tmpfs -o size=4G tmpfs /mnt/ramdisk
  • 验证挂载
1
df -h /mnt/ramdisk
  • 开机自动挂载（可选）
1
2
3
4
5
# 编辑 fstab 系统配置文件，添加以下配置内容
sudo vim /etc/fstab

# 挂载 fstab 中所有自动挂载的文件系统，并检测配置是否正确
sudo mount -a
1
tmpfs /mnt/ramdisk tmpfs defaults,size=4G 0 0
  • 卸载挂载（可选）
1
sudo umount /mnt/ramdisk

ramfs

ramfs 的概述

  • ramfs 是最简单的内存文件系统：

    • 数据存储在纯内存中
    • 没有容量限制
    • 内存写满后系统不会阻止继续写入，会持续占用内存
    • 内存耗尽就会 OOM，最终导致系统宕机
    • 更像一个危险，但读写速度极快的文件系统

  • ramfs 的主要特点

    • 支持创建目录（无限层级）
    • 支持普通文件
    • 支持符号链接、硬链接
    • 支持权限、UID/GID
    • 支持文件删除（立即释放内存）
    • 不支持大小限制（不能设置 Size，容量可无限增长）
    • 数据页不可回收（不会被内核回收）
    • 不支持 Swap Out（永远驻留物理内存中）
    • 容易导致系统 OOM（写入越多，内存占用越多）
    • 系统重启后会丢失所有数据

  • ramfs 的适用场景

    • 极端场景下的高性能缓存
    • 只用于开发 / 研究，不建议生产环境使用

ramfs 的挂载

  • 创建挂载点
1
sudo mkdir -p /mnt/ramdisk
  • 挂载 ramfs
1
sudo mount -t ramfs ramfs /mnt/ramdisk
  • 开机自动挂载（可选）
1
2
3
4
5
# 编辑 fstab 系统配置文件，添加以下配置内容
sudo vim /etc/fstab

# 挂载 fstab 中所有自动挂载的文件系统，并检测配置是否正确
sudo mount -a
1
ramfs   /mnt/ramdisk   ramfs   defaults   0   0
  • 卸载挂载（可选）
1
sudo umount /mnt/ramdisk

特别注意

由于 ramfs 没有容量限制，如果程序写入大量数据会导致系统 OOM。

Page Cache

Page Cache 的概述

即使用户不主动使用 tmpfs 或 ramfs 文件系统，Linux 内核本身也会自动利用内存作为 “磁盘缓存”。当用户读取一个文件时：

  • 内核将数据加载到操作系统的 Page Cache（页缓存）
  • 下次读取同一个文件时，不再触发磁盘 I/O，直接从内存返回结果

Page Cache 的使用

  • 将文件写入 Page Cache
1
cat video.mp4 > /dev/null
1
2
3
4
上述命令会：
- 强制把 `video.mp4` 文件从磁盘加载进内存
- 但不输出任何内容
- 后续程序读取 `video.mp4` 文件会命中缓存，不再产生磁盘 I/O
  • 查看缓存使用情况
1
2
# 查看内存使用情况，会看到 buff/cache 部分增大
free -h
  • 清除缓存（慎用，仅测试使用）
1
2
3
4
5
# 将所有文件系统的缓存数据写回磁盘
sudo sync

# 清理页缓存、目录缓存和 inode 缓存
sudo sh -c 'echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches'

特别注意

在 Linux 生产环境中，不建议随意清缓存，否则会影响系统性能。

总结说明

  • tmpfs、ramfs、Page Cache 的优缺点
技术优点缺点适用场景
tmpfs 快、可限制容量、安全占用系统内存缓存文件、临时空间、多媒体文件读取
ramfs 极快不限容量，OOM 风险高测试、高速缓存（不推荐生产环境使用）
Page Cache 自动、透明、无需修改程序缓存不可控、可能被挤掉文件预加载（热加载）
  • tmpfs 与 ramfs 的主要区别
特性 tmpfsramfs
存储位置内存 + Swap 纯内存（永远不使用 Swap）
内存限制可限制大小（推荐）不可限制，体积可无限增长
系统内存压力大时会将部分数据 Swap 出去继续占用内存，最终导致系统 OOM
默认缓存行为文件内容存放在 Page Cache 中，这些页是可回收的，内核在内存压力大时可以回收或 Swap Out 文件内容同样存放在 Page Cache 中，但被标记为不可回收，不会 Swap Out，也不会被回收，因此会永久占用物理内存
OOM 风险低（可回收）极高（不可回收）
性能与 ramfs 速度差异极小，几乎相同比如 tmpfs 略快，但差距可以忽略
适用场景安全缓存、高性能临时存储特殊场景、嵌入式、需要可预测行为