Що таке кешовані дані і кешування?

Комп'ютер, на жаль, не моментально виконує команди, які отримує від людей. Для прискорення цього процесу застосовується ряд хитрощів, і почесне місце серед них належить кешуванню. Що це таке? Чим є ці дані? Як цей процес власне відбувається? Що таке кешовані дані в смартфоні "Самсунг", наприклад, і відрізняються вони чимось від тих, що в комп'ютері? Давайте приступимо до отримання відповідей на ці питання.

Що таке кеш?

Так називають проміжний буфер, який забезпечує швидкий доступ до інформації, ймовірність запиту якої вище всього. Всі дані містяться в ньому. Важливою перевагою є те, що отримати всю необхідну інформацію з кеша можна значно швидше, ніж з вихідного сховища. Але існує значний недолік – розмір. Ці дані застосовуються в браузерах, жорстких дисках, ЦПУ, веб-серверах, служби WINS і DNS. Основою структури є набори записів. Кожна з них асоційований з певним елементом або блоком даних, які виступають копією того, що є в основній пам'яті. Записи мають ідентифікатор (тег), з допомогою якого і визначається відповідність. Давайте подивимося з трохи іншої точки зору: що таке кешовані дані в телефоні "Самсунг" або іншого виробника? Відрізняються вони від тих, що створюються в комп'ютері? З принципової точки зору – ні, різниця виключно в розмірі.

Процес використання

Коли клієнт (вони були перераховані вище) запитує дані, то перше, що робить комп'ютер – досліджує кеш. Якщо в ньому міститься необхідна запис, то вона і використовується. У цих випадках відбувається попадання. Періодично дані з Кеша копіюються в основну пам'ять. Але якщо потрібна запис не була знайдена, то відбувається пошук вмісту в базовому сховище. Вся взята інформація переноситься в кеш, щоб до неї потім можна було звертатися більш швидко. Відсоток, коли запити увінчуються успіхом, називається рівнем або коефіцієнтом попадання.

Оновлення даних

При використанні, припустимо, веб-браузером здійснюється перевірка локального кешу, з метою знайти копію сторінки. Враховуючи обмеженість даного виду пам'яті, при промаху приймається рішення відкинути частину інформації, щоб звільнити простір. Щоб вирішити, що саме буде замінено, використовують різні алгоритми витіснення. До речі, якщо говорити про те, що таке ці дані на "Андроїд", то в масі своїй вони використовуються для роботи з картинками і даними додатків.

Політика запису

Під час модифікації вмісту кеша оновлюють дані і в основній пам'яті. Тимчасова затримка, яка проходить між внесенням інформації, залежить від політики запису. Існує два основних типи:

Негайна запис. Кожна зміна синхронно заноситься в основну пам'ять.

Відкладена або зворотний запис. Оновлення даних проводиться періодично або при запиті з боку клієнта. Щоб відстежувати, було внесено зміну, використовують ознака з двома станами: «брудний» або змінений. У разі промаху може проводитися два звернення, направлені основної пам'яті: перше використовується, щоб записати дані, що були змінені з кеша, а друге – щоб прочитати необхідний елемент.

Може бути і таке, що інформація в проміжному буфері стає неактуальною. Це відбувається при зміні даних в основній пам'яті без внесення коригувань в кеш. Для узгодженості всіх процесів редагування використовують протоколи когерентності.

Сучасні виклики

Із збільшенням частотності процесорів і підвищенням продуктивності оперативної пам'яті з'явилося нове проблемне місце – обмеженість інтерфейсу передачі даних. Що з цього може підмітити обізнана людина? Кеш-пам'ять дуже корисна, якщо частота в ОЗП менше ніж в процесорі. Багато з них мають свій власний проміжний буфер, щоб зменшити час доступу до оперативної пам'яті, яка діє повільніше, ніж регістри. В ЦП, які підтримують віртуальну адресацію, часто розміщують невеликий, але дуже швидкий буфер трансляцій адрес. Але в інших випадках кеш не дуже корисний, а іноді тільки створює проблеми (але це зазвичай в комп'ютерах, які зазнали модифікації непрофесіоналом). До речі, кажучи про те, що таке кешовані дані в пам'яті смартфона, ндо відзначити, що з-за маленького розміру пристрою доводиться створювати нові мініатюрні реалізації кешу. Зараз деякі телефони можуть похвалитися параметрами, як у передових комп'ютерів десять років тому – а яка різниця в їх розмірі!

Синхронізація даних між різними буферами

Кеш корисний, коли один, а як зберегти ефективність даної технології, якщо їх багато? Цю проблему вирішує когерентність буфера. Існує три варіанти обміну даними:

Інклюзивний. Кеш може вести себе як завгодно.

Ексклюзивний. Розроблявся під кожен конкретний випадок.

Неэкслюзивный. Стандарт широкого поширення.

Рівні кешування

Їх кількість зазвичай дорівнює трьом або чотирьом. Чим більше рівень пам'яті, тим вона об'ємніше і повільніше:

L1 cache. Найшвидший рівень кеш – перший. По суті, він частина процесора, оскільки розташований на одному кристалі і відноситься до функціональним блокам. Зазвичай ділиться на два виду: кеш інструкцій і даних. Більшість сучасних процесорів без цього рівня не працюють. Даний кеш функціонує на частоті процесора, тому звернення до нього може здійснювати кожен такт.

L2 cache. Зазвичай розташовується разом з попереднім. Є пам'яттю роздільного користування. Щоб дізнатися його величину, необхідно весь обсяг, відданий під кешування даних, поділити на кількість ядер, що є в процесорі.

L3 cache. Повільний, але найбільший залежний кеш. Зазвичай більше 24 Мбайт. Використовується, щоб синхронізувати дані, які надходять від різних кешу другого рівня.

L4 cache. Використання виправдане тільки для високопродуктивних багатопроцесорних майнфреймов і серверів. Його реалізують як окремої мікросхеми. Якщо ви ставите питання про те, що таке кешування даних в смартфоні "Самсунг" і шукаєте в ньому цей рівень – можу сказати, що років на 5 точно поквапилися.

Асоціативність кешу

Це фундаментальна характеристика. Асоціативність кешованих даних необхідна для відображення логічної сегментації. Вона, в свою чергу, потрібна з-за того, що послідовний перебір всіх наявних рядків займає десятки тактів і зводить нанівець всі переваги. Тому використовується жорстка прив'язка комірок ОЗП даних кеша, для скорочення часу пошуку. Якщо порівнювати проміжні буфери, у яких однаковий обсяг, але різна асоціативність, то той, у кого вона велика, буде працювати менш швидко, але із значною питомою ефективністю.

Висновок

Як бачите, кешовані дані за певних умов дозволяє вашому комп'ютеру діяти швидко. Але, на жаль, існує ще досить багато аспектів, над якими можна працювати тривалий час.