实际上 Buffer 和 Cache 是两个用烂的词，在不同的场景下其语义会有所区别。在 Linux 的内存管理中，Buffer 是指 Buffer Cache(缓冲区缓存)，Cache 是指 Page Cache(页面缓存)。
这里简单介绍其概念。
简介
曾经 Buffer 被用来做 IO 设备的写缓存，Cache 被用来作为 IO 设备的读缓存，这里的 IO 设备，主要指的是块设备文件和文件系统上的普通文件；但是现在，它们的意义已经不一样了。
在当前的内核中，PageCache 就是针对内存页的缓存，如果有内存是以 Page 进行分配管理的，都可以使用 PageCache 作为其缓存来管理使用。
当然，不是所有的内存都是以 Page 为单位进行管理，也有很多是针对块 Block 进行管理的，如果这部分需要使用到 Cache 功能，则都集中到 BufferCache 中，从这一角度来说，改称为 BlockCache 更为合适。
前世今生
简单来说，两者都是为了优化磁盘 IO 的读写速率，其中 PageCache 缓存了文件页用来优化文件 IO；而 BufferCache 缓存了磁盘块用来优化块设备的 IO 。
很多的类 Unix 系统采用了与 Linux 2.4 之前版本类似的策略，也就是文件缓存在 PageCache 而磁盘块缓存在 BufferCache。
而实际上，大部分文件是通过文件系统呈现，而且存储在磁盘上，这就会导致同一份文件保存了两份，不优雅也不高效，为此，在 Linux 2.4 版本之后，就将两者进行了统一。
如果被缓存的数据即是文件数据又是块数据 (对于文件来说大部分的数据是的，元数据不是)，此时 BufferCache 会有指针指向 PageCache ，这样数据就只需要在内存中缓存一份。当讨论磁盘缓存时，其实就是 PageCache ，它缓存了磁盘文件数据，从而提高 IO 的吞吐量。
当然，目前 BufferCache 仍然是存在的，因为还存在需要执行的块 IO。因为大多数块都是用来存储文件数据，所以大部分 BufferCache 都指向了 PageCache；但还是有一小部分块并不是文件数据，例如元数据、RawBlock IO，此时还需要通过 BufferCache 来缓存。
明白了这两套缓存系统的区别，就可以理解它们究竟都可以用来做什么了。
Page Cache
主要用来作为文件系统上的文件数据的缓存，常见的是针对文件的 read()/write() 操作，另外也包括了通过 mmap() 映射之后的块设备，也就是说，事实上 Page Cache 负责了大部分的块设备文件的缓存工作。
Buffer Cache
BufferCache 用来在系统对块设备进行读写的时候，对块进行数据缓存的系统来使用，例如格式化文件系统时。
总结
磁盘有逻辑 (文件系统) 和物理 (磁盘块) 两种操作，分别对应了 Page Cache 和 Buffer Cache 。简单来说，如果直接通过 read()/write() 等直接去操作文件，那使用的就是 Page Cache 缓存，而使用 dd 等命令直接操作磁盘块，就是 Buffer Cache 缓存。
注意，块 Block 的大小由所使用块设备决定，而页在 x86 上无论是 32 位还是 64 位都是 4K 。
测试
那么 free 命令中的 buffers 和 cache 是什么意思？
该命令读取的是 /proc/meminfo 文件中的数据，可以从是否有 available 判断是否为最新版本，对于老版本计算方式如下：
cache = Cached + SwapCached + SReclaimable;
available = MemFree + Buffers + cache
free
新版的 free 命令输出如下。
$ free -wm
total used free shared buffers cache available
Mem: 7881 3109 797 1113 309 3665 3310
Swap: 7936 260 7676
- buffers，表示块设备 (block device) 所占用的缓存页，包括了直接读写块设备以及文件系统元数据 (metadata) 比如 SuperBlock 所使用的缓存页；
- cached，表示普通文件系统中数据所占用的缓存页。
如上所述，该命令读取的是 /proc/meminfo 文件中的 Buffers 和 Cached 数据，而在内核中的实现实际上对应了 meminfo_proc_show()@fs/proc/meminfo.c 函数，内容如下。
static int meminfo_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{
si_meminfo(&i); // 通过nr_blockdev_pages()函数填充bufferram
si_swapinfo(&i);
cached = global_page_state(NR_FILE_PAGES) -
total_swapcache_pages() - i.bufferram;
if (cached < 0)
cached = 0;
seq_printf(m,
"Buffers: %8lu kB\n"
"Cached: %8lu kB\n"
// ... ..
K(i.bufferram),
K(cached),
// ... ..
}
如上计算 cached 公式中，global_page_state(NR_FILE_PAGES) 实际读取的 vmstat[NR_FILE_PAGES]，也就是用于统计所有缓存页 (page cache) 的总和，它包括：
swap cache 主要是针对匿名内存页，例如用户进程通过 malloc() 申请的内存页，当要发生 swapping 换页时，如果一个匿名页要被换出时，会先计入到 swap cache，但是不会立刻写入物理交换区，因为 Linux 的原则是除非绝对必要，尽量避免 IO。
所以 swap cache 中包含的是被确定要 swapping 换页，但是尚未写入物理交换区的匿名内存页。
验证
如上，读取 EXT4 文件系统的目录会使用到 “buffers”，这里使用 find 命令扫描文件系统，观察 “buffers” 增加的情况：
# sync
# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
$ free -wk; find ~ -name "not exits file" >/dev/null 2>&1; free -wk
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3260408 3445852 1102588 5236 1359108 3418844
Swap: 8127484 300172 7827312
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3249764 3207336 1087716 250484 1363020 3417764
Swap: 8127484 300172 7827312
再测试下直接读取 block device 并观察 “buffers” 增加的现象：
# sync
# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# free -wk; dd if=/dev/sda1 of=/dev/null count=200M; free -wk
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3244516 3486124 1094648 932 1339032 3451048
Swap: 8127484 300172 7827312
532480+0 records in
532480+0 records out
272629760 bytes (273 MB) copied, 0.612241 s, 445 MB/s
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3245032 3218528 1094868 267196 1339848 3427012
Swap: 8127484 300172 7827312
找个比较大的文件，然后通过 cat 命令读取，可以看到对应的 cache 会增加。
# sync
# echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# free -wk; cat /your/big/file/path; free -wk
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3244516 3486124 1094648 932 423384 3451048
Swap: 8127484 300172 7827312
532480+0 records in
532480+0 records out
272629760 bytes (273 MB) copied, 0.612241 s, 445 MB/s
total used free shared buffers cache available
Mem: 8070604 3245032 3218528 1094868 2354 1019960 3427012
Swap: 8127484 300172 7827312
mincore
在内核中有个 man mincore(2) 的系统调用，其实现在 mm/mincore.c 中，主要用来判断页面的状态，可以使用 fincore 工具查看。
mincore -- determine whether pages are resident in memory
最早是由 google 开发，不过已经是七八年前的事情了，现在几乎不再维护，可以从 github 上查找相关的代码。
去掉了异常处理之外，其处理过程大致如下。
fd = open(fname, O_RDONLY);
if (fstat(fd, &stat) < 0) {
file_pages = (stat.st_size + page_size - 1) / page_size;
vec = malloc(file_pages);
fmap = mmap(NULL, stat.st_size, PROT_NONE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (mincore(fmap, stat.st_size, vec) != 0 ) {
if (vec[i] & 1) {
open() 获得文件描述符，fstat() 获取文件的长度，页面的大小可以通过系统调用获取，一般是 4K ，有了文件大小，就知道了，需要多少个 int 来存放结果。
mmap() 建立映射关系，mincore() 获取文件页面的驻留情况，从起始地址开始，长度是 filesize，结果保存在 vec 数组里，如果 vec[i] & 1 == 1 那么表示该页面驻留在内存中，否则没有对应缓存。
另外，一个不错的工具可以参考 vmtouch 。
回收 Cache
内核在内存将要耗尽时，会触发内存回收的工作，一般来说主要释放的是 Buffer/Cache 的内存，但是这种清缓存的操作也并不是没有成本。
理解 Buffer Cache 的作用，那么如果要清理缓存，那么必须要保证数据的一致性，所以一般在清理的时候同时会伴随这 IO 彪高。因为内核要对比内存中的数据和对应硬盘文件上的数据是否一致，如果不一致需要写回，之后才能回收。
手动触发
在系统中除了内存将被耗尽的时候可以清缓存以外，还可以使用下面这个文件来人工触发缓存清除的操作。
# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
其中的取值可以是 1 2 3，代表的含义为：
1清除 PageCache；2回收 slab 分配器中的对象 (包括目录项缓存和 inode 缓存)，slab 是内核中管理内存的一种机制，其中很多缓存数据实现都是用的 PageCache；3清除 PageCache 和 slab 分配器中的缓存对象。
这部分内核代码位于 fs/drop_caches.c 里面。
fadvise
除了上述粗暴的方法外，Linux 还提供了 posix_fadvise() 系统调用，允许用户给 Linux 提建议。
#include <fcntl.h>
int posix_fadvise(int fd, off_t offset, off_t len, int advice);
其中比较常用的有两个选项，可以通过 posix_fadvise(2) 查看，信息摘抄如下。
POSIX_FADV_WILLNEED
The specified data will be accessed in the near future.
POSIX_FADV_DONTNEED
The specified data will not be accessed in the near future.
其中，其含义如下：
POSIX_FADV_WILLNEED相当于说，这个文件在不久的将来要用，请准备好相应的页面(从磁盘读入内存)，相当于预读。POSIX_FADV_DONTNEED相当于告知 Linux ，这个文件不用了，直接回收掉吧，类似于 sync 操作。
在 PostgreSQL 中有如下的应用：
int FilePrefetch(File file, off_t offset, int amount)
{
#if defined(USE_POSIX_FADVISE) && defined(POSIX_FADV_WILLNEED)
int returnCode;
Assert(FileIsValid(file));
DO_DB(elog(LOG, "FilePrefetch: %d (%s) " INT64_FORMAT " %d",
file, VfdCache[file].fileName,
(int64) offset, amount));
returnCode = FileAccess(file);
if (returnCode < 0)
return returnCode;
returnCode = posix_fadvise(VfdCache[file].fd, offset, amount,
POSIX_FADV_WILLNEED); //预读
return returnCode;
#else
Assert(FileIsValid(file));
return 0;
#endif
}
int pg_flush_data(int fd, off_t offset, off_t amount)
{
#if defined(USE_POSIX_FADVISE) && defined(POSIX_FADV_DONTNEED)
return posix_fadvise(fd, offset, amount, POSIX_FADV_DONTNEED);
#else
return 0;
#endif
}
通过 fadvise 就能把某文件彻底赶出缓存，代码非常简单。
int clear_file_cache(const char *filename)
{
struct stat st;
if(stat(filename , &st) < 0) {
fprintf(stderr , "stat localfile failed, path:%s\n",filename);
return -1;
}
int fd = open(filename, O_RDONLY);
if( fd < 0 ) {
fprintf(stderr , "open localfile failed, path:%s\n",filename);
return -1;
}
//clear cache by posix_fadvise
if( posix_fadvise(fd,0,st.st_size,POSIX_FADV_DONTNEED) != 0) {
printf("Cache FADV_DONTNEED failed, %s\n",strerror(errno));
} else {
printf("Cache FADV_DONTNEED done\n");
}
return 0;
}
其中 vmtouch -e 以及 linux-ftools 中的 linux-fadvise 提供了类似的功能，实际最终调用的都是 posix_fadvise() 接口。
关于 posix_fadvise() 接口的内核实现，可以参考霸爷的 posix_fadvise 清除缓存的误解和改进措施 。
其它
stap
可以通过 stap 脚本查看是谁在消耗 Cache，不过配置起来比较麻烦，暂不介绍了，后面补充吧。
参考
一个不错的工具 linux-ftools，可以直接从 本地下载 。