常常聽到有程序員會跟你討論：“我們在讀寫文件的時候，系統(tǒng)是有緩存的”。但實際上有一部分人把用戶進程緩存區(qū)和系統(tǒng)空間緩存區(qū)的概念混淆了，包括這兩種緩沖區(qū)的用法和所要解決的問題，還有其它類似的概念。本文就來區(qū)分一下不同的緩沖區(qū)概念（主要針對類unix平臺）。

用戶進程和操作系統(tǒng)的關系，首先我用一張圖來解釋“用戶進程和操作系統(tǒng)的關系：

這是一個計算機系統(tǒng)運行時的簡化模型，我們把所有運行在操作系統(tǒng)上的進程成為用戶進程，它們都運行在用戶空間（可以看到用戶空間有很多進程）。把操作系統(tǒng)運行的空間成為系統(tǒng)空間。

為什么將進程分為用戶進程和系統(tǒng)進程，首先你一定聽說過內核態(tài)和用戶態(tài)（kernel mode和user mode），在內核態(tài)可以訪問系統(tǒng)資源，比如：

處理器cpu：cpu控制著一個程序的執(zhí)行。輸入輸出IO：linux有句話叫“一切都是流”，也就是所有輸入輸出設備的數據，包括硬盤，內存，終端都可以像流一樣操作。進程管理：類似對進程的創(chuàng)建，休眠，喚醒，釋放之類的調度。比如linux下的fork和windows下的CreateProcess()函數。內存：包括內存的申請，釋放等管理操作。設備：這個就是常常說的外設了，比如鼠標，鍵盤。計時器：計算機能計時是因為晶體振蕩器產生的電磁脈沖。那么所有的定時任務都是以它為基礎的。進程間通信IPC：進程之間是不能夠互相訪問內存的，所以進程與進程之間的交互需要通信，而通信也是一種資源。網絡通信：網絡通信可以看做是進程見通信的特殊形式。

注釋：fflush把進程緩沖區(qū)的數據刷新到內核緩沖區(qū)，fsync把內核緩沖區(qū)的數據刷新到物理媒介上。

而上面所說的這些系統(tǒng)資源，在用戶進程中是無法被直接訪問的，只能通過操作系統(tǒng)來訪問，所以也把操作系統(tǒng)提供的這些功能成為：“系統(tǒng)調用”。

比如下圖，展示一個用戶通過shell控制計算機所經過的數據流向：文件讀寫和終端控制，都是通過內核進行的。

提供這些限制的基礎就是cpu提供的內核態(tài)和用戶態(tài)。比如intel x86 CPU有四種不同的執(zhí)行級別0-3，linux只使用了其中的0級和3級分別來表示內核態(tài)和用戶態(tài)。

在用戶態(tài)，不僅僅是系統(tǒng)資源了，就是別的進程的內存對于你來說，都是“透明的”（并不是沒辦法訪問，否則游戲作弊器怎么實現？）

用戶進程緩存區(qū)

前面提到，用戶進程通過系統(tǒng)調用訪問系統(tǒng)資源的時候，需要切換到內核態(tài)，而這對應一些特殊的堆棧和內存環(huán)境，必須在系統(tǒng)調用前建立好。而在系統(tǒng)調用結束后，cpu會從核心模式切回到用戶模式，而堆棧又必須恢復成用戶進程的上下文。而這種切換就會有大量的耗時。

你看一些程序在讀取文件時，會先申請一塊內存數組，稱為buffer，然后每次調用read，讀取設定字節(jié)長度的數據，寫入buffer。（用較小的次數填滿buffer）。之后的程序都是從buffer中獲取數據，當buffer使用完后，在進行下一次調用，填充buffer。所以說：用戶緩沖區(qū)的目的是為了減少系統(tǒng)調用次數，從而降低操作系統(tǒng)在用戶態(tài)與核心態(tài)切換所耗費的時間。除了在進程中設計緩沖區(qū)，內核也有自己的緩沖區(qū)。

內核緩存區(qū)

當一個用戶進程要從磁盤讀取數據時，內核一般不直接讀磁盤，而是將內核緩沖區(qū)中的數據復制到進程緩沖區(qū)中。

但若是內核緩沖區(qū)中沒有數據，內核會把對數據塊的請求，加入到請求隊列，然后把進程掛起，為其它進程提供服務。

等到數據已經讀取到內核緩沖區(qū)時，把內核緩沖區(qū)中的數據讀取到用戶進程中，才會通知進程，當然不同的io模型，在調度和使用內核緩沖區(qū)的方式上有所不同，下一小結介紹。

你可以認為，read是把數據從內核緩沖區(qū)復制到進程緩沖區(qū)。write是把進程緩沖區(qū)復制到內核緩沖區(qū)。當然，write并不一定導致內核的寫動作，比如os可能會把內核緩沖區(qū)的數據積累到一定量后，再一次寫入。這也就是為什么斷電有時會導致數據丟失。所以說內核緩沖區(qū)，是為了在OS級別，提高磁盤IO效率，優(yōu)化磁盤寫操作。

流程

在《Unix網絡編程》中的五種io模型，也提到過進程緩沖區(qū)和內核緩沖區(qū)。因為這個并不是此篇文章的重點，所以這里只對比阻塞模型和非阻塞。

對比阻塞和非阻塞，在阻塞io中，直到數據從內核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)才通知用戶進程調用完成并喚醒，而非阻塞，在輪訓得知數據準備好后，數據還是在內核緩沖區(qū)中，等你去讀取，這也就是說數據準備好，并不代表已經讀好可以使用。當然也不代表一定能讀。

緩存區(qū)和緩存

還有一部分人把緩沖區(qū)和緩存混淆，后來我明白這也是因為翻譯導致的把兩種東西進行混淆。緩沖區(qū)的英文是buffer，而緩存的應為是cache。

CPU緩存（Cache Memory）是位于CPU與內存之間的臨時存儲器，因為cpu的計算速度要比內存的讀寫速度快很多，而把這些可能會被重復訪問到的數據存儲于cpu緩存中，就會提高讀取速度。可以說緩存是cpu和內存之間的臨時存儲器。

也就是說，buffer是因為減少調用次數，集中調用，提高系統(tǒng)性能。而cache是將讀取過的數據保存起來，重新讀取時若命中（找到需要的數據）就不要去讀硬盤了，若沒有命中就讀硬盤。而緩沖可以理解為內存和硬盤之間的臨時存儲器，重點是寫的過程。