Linux free 指令 buffer 與 cache 差異深度解析

free -m 輸出中 buffers 與 cached 兩欄常被混淆，本文從核心角度深度解析兩者本質差異、統計口徑與實務判讀。

free 輸出欄位含義

             total  used  free shared buffers cached
Mem:          503  368  134    0     56    249
-/+ buffers/cache:  62   440
Swap:        1023    0  1023

• Mem 行 (OS 視角)：
   used = 應用程式 + 核心 + buffers + cached
   free = 完全未分配記憶體
• -/+ buffers/cache 行 (應用程式視角)：
   used = 真正被應用程式佔用 (used - buffers - cached)
   free = buffers + cached + free (應用程式可用記憶體)

Buffer vs Cache 核心定義

Buffer：待寫入磁碟的資料 (write-back cache)，接近儲存裝置，如磁碟塊設備緩衝區。
Cache：已從磁碟讀取並暫存供後續讀取的資料 (page cache)，接近記憶體，如檔案系統快取。

• Buffer：由核心管理，聚合分散寫入、減少磁碟尋道、定期或 sync 刷入磁碟。卸載裝置時會強制刷新。
• Cache：依讀取頻率組織 (LRU)，熱門資料留在易取位置，冷資料逐漸淘汰。命中率高則磁碟讀 IO 極低。

free 指令中對應關係

• buffers = Block device buffer cache (塊設備緩衝區)
• cached = Page cache (頁面快取，檔案系統快取)

實務判讀指南

• cached 巨大：系統頻繁讀取同組檔案 (資料庫、Web 靜態資源)，屬正常優化現象。
• buffers 持續高：大量寫入操作未及時刷盤，或磁碟效能瓶頸導致回寫緩衝堆積。
• 可用記憶體不足：關注第二行 free (含 buffers/cache)，而非第一行 free。
• vm.swappiness (0-100) 控制 swap 傾向，預設 60，資料庫伺服器建議降至 10-20。

簡單記憶口訣

Buffer 是「要寫出去的」，Cache 是「讀進來留著的」。Buffer 是通道，Cache 是容器 (快取)。