###
  • Интернет
  • Программы
  • Игры
  • Проблемы
  • Windows
  • Социальные сети
  • Android
  • Ios

    • Что означает кэш память процессора, в чем отличие L1,L2,L3. Память кэш - это что? Что такое кэш браузера

    20.09.2019 Android

    Кэш память (Cache) — массив сверхбыстрой оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером системной памяти и . В этом буфере сохраняются блоки данных, с которыми работает в данный момент, тем самым значительно уменьшается количество обращений процессора к медленной системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.

    Различают кэш память 1-, 2- и 3-го уровней (маркируются L1, L2 и L3 ).

    Кэш память первого уровня (L1) — самый быстрый, но по объему меньший, чем у остальных. С ним напрямую работает ядро процессора. Кэш память 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа).
    Кэш память второго уровня (L2) – объем этой памяти значительно больше, чем кэш память первого уровня.
    Кэш память третьего уровня (L3) – кэш память с большим объемом и более медленный чем L2.

    В классическом варианте существовало 2 уровня кэш-памяти – 1-ий и второй уровень. 3-ий уровень по организации отличается от кэш памяти 2-ого уровня. Если данные не обрабатывались или процессор должен обработать срочные данные, то для освобождения кэш память 2-ого уровня данные перемещаются в кэш память 3-го уровня. Кэш память L3 больше по размеру, однако, и медленнее, чем L2 (шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), но все же его скорость, намного выше скорость системной памяти.

    В кэш память 2-ого уровня изначально передаются все данные, для обработки центральным процессором, данные частично декодируются и переходят дальше в ядро.

    В кэш память 2-ого уровня из данных строятся цепочка инструкций, а в кэше 1-ого уровня «зеркально» строятся внутренние команды процессора, которые учитывают особенности процессора, регистры и т.д. Число внутренних команд центрального процессора не слишком много поэтому величина кэша 1-ого уровня не имеет большого значения (в современных процессорах кэш память 1-ого уровня L1 может быть с 64 Кб, 128Кб на каждое из ядер). В отличии от кэш памяти 1-ого уровня, кэш память 2-ого уровня для процессора имеет огромное значение, именно поэтому процессоры с наибольшим объемом кэша 2-ого уровня показывают высокую производительность.

    В организации структуры Кэш памяти для процессоров существуют отличия. К примеру, AMD процессоры четко разделёны между ядрами кэш памяти, и маркируются соответственно — 512х2 (Athlon 5200 и ниже) или 1024х2 (у Athlon 5200 и выше). А у процессоров Intel Core2Duo кэш строго не поделён, а значит для каждого из ядер можно использовать необходимое количество памяти общего кэша, это хорошо подходит для систем, не поддерживающих многоядерность. Если использовать все ядра, кэш память разделяется на каждое из ядер динамически, в зависимости от нагрузки каждого из ядер.

    Что такое кэш?

    Кэш (cache) браузера - это папка с копиями некоторых данных со страниц, которые вы посещали. Обычно в кэше сохраняются те элементы страницы, которые вряд ли успели измениться за промежуток времени между двумя запросами, - музыка, видео, изображения, стили, скрипты. При повторном просмотре страниц Яндекс.Браузер уже не будет запрашивать эти данные из интернета, а извлечет их из кэша. Использование кэша снижает нагрузку на сеть и повышает скорость загрузки страниц.

    Пример использования кэша

    Когда вы начинаете смотреть онлайн-видео, отображаются указатели и просмотренного и загруженного видео. После полной загрузки можно отключиться от интернета и досмотреть ролик или фильм. Загруженное видео сохраняется в кэше на вашем компьютере и в дальнейшем считывается с локального жесткого диска.

    ","hasTopCallout":true,"hasBottomCallout":true,"areas":[{"shape":"circle","direction":["bottom","right"],"alt":"Доля просмотренного видео","coords":,"isNumeric":false,"hasTopCallout":false,"hasBottomCallout":true},{"shape":"circle","direction":["top","right"],"alt":"Доля загруженного в кэш видео","coords":,"isNumeric":false,"hasTopCallout":true,"hasBottomCallout":false}]}}">

    Приватность и кэш

    Сохранение данных в кэше несет следующие риски для вашей приватности:

    • Если доступ к компьютеру имеют несколько пользователей, любой из них может увидеть в папке с кэшем изображения, которые вы ранее просматривали. Рекомендуем использовать на таких компьютерах режим Инкогнито .
    • Если на компьютере присутствует вредоносное ПО, то оно может получить доступ к кэшу браузера.

    Очистка кэша

    Внимание. Удалять данные в браузере после посещения сайта неэффективно, так как они могут попасть к злоумышленникам во время визита. Чтобы сохранить личные данные в тайне, открывайте сомнительные сайты в режиме Инкогнито .

    Чтобы очистить кэш:

    Совет. Открыть окно Очистить историю можно, нажав сочетание клавиш Ctrl + Shift + Del (в Windows) или Shift + ⌘ + Backspace (в macOS).


    Расположение кэша

    Если вам нужно просмотреть или скопировать кэш Яндекс.Браузера (например, чтобы отправить в ), вы можете найти его в следующих папках:

    Операционная система Адрес кэша
    Windows 7, Windows 8, Windows 10 C:\Пользователи\Имя вашей учетной записи\AppData\Local\Yandex\YandexBrowser\User Data\Default\Cache

    Примечание. Папка AppData является скрытой. Чтобы ее увидеть, включите отображение скрытых папок.
    macOS ~/Library/Application Support/Yandex/YandexBrowser/Default/GPUCache

    Диаграмма кэша памяти ЦПУ

    Кэш - это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ , жёсткими дисками , браузерами и веб-серверами .

    Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор , определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

    Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша . Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша . Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

    Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL - это идентификатор, а содержимое веб-страницы - это элементы данных.

    Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения .

    При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи .

    В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

    В кэше с отложенной записью (или обратной записью ) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный» ). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

    В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной . Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша .

    Кэш центрального процессора

    Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры . Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

    Уровни кэша

    Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров - до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

    Самой быстрой памятью является кэш первого уровня - L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик - не более 128 Кбайт.

    Вторым по быстродействию является L2-cache - кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах - набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования - при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. Однако, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД , производительность может упасть в десятки раз.

    Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера - более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.

    Отключение кэша второго и третьего уровней обычно используется в математических задачах, например, при обсчёте полигонов, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно сразу записать все данные в кэш, а затем производить их обработку.

    Ассоциативность кэша

    Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти - уровень ассоциативности - отображает её логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n -канальная ассоциативность (англ. n -way set associative ) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.

    При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.

    Кэширование внешних накопителей

    Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 32 Мбайт (модели с поддержкой одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;

  • доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
  • для некоторых блоков памяти внешних накопителей не требуется непосредственной записи после модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.

    • Кэширование, выполняемое операционной системой

    Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:

    1. набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длине блоку данных соответствующего устройства внешней памяти;
    2. набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера;
    3. хеш-таблицы , содержащей соответствие номера блока заголовку;
    4. списки свободных буферов.

    Алгоритм работы кэша с отложенной записью

    Изначально все заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. Если процесс намеревается прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:

    1. пытается найти в хеш-таблице заголовок буфера с заданным номером;
    2. в случае, если полученный буфер занят, ждёт его освобождения;
    3. в случае, если буфер не найден в хеш-таблице, берёт первый буфер из хвоста списка свободных;
    4. в случае, если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения (см. ниже);
    5. в случае, если полученный буфер помечен как «грязный», выполняет асинхронную запись содержимого буфера во внешнюю память.
    6. удаляет буфер из хеш-таблицы, если он был помещён в неё;
    7. помещает буфер в хеш-таблицу с новым номером.

    Процесс читает данные в полученный буфер и освобождает его. В случае модификации процесс перед освобождением помечает буфер как «грязный». При освобождении буфер помещается в голову списка свободных буферов.

    Таким образом:

    1. если процесс прочитал некоторый блок в буфер, то велика вероятность, что другой процесс при чтении этого блока найдёт буфер в оперативной памяти;
    2. запись данных во внешнюю память выполняется только тогда, когда не хватает «чистых» буферов, либо по запросу.

    Алгоритм вытеснения

    Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:

    1. LRU (Least Recently Used) - вытесняется буфер, неиспользованный дольше всех;
    2. MRU (Most Recently Used) - вытесняется последний использованный буфер;
    3. LFU (Least Frequently Used) - вытесняется буфер, использованный реже всех;
    4. ARC (англ.) (Adaptive Replacement Cache) - алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU, запатентованный

      Программное кэширование

      Политика записи при кэшировании

      При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..

      Существуют две основные политики записи кэш-памяти - сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).

      • сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кэш и в основную память.
      • отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кэш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП, контроллер DMA) либо нехватки места в кэше для размещения других данных. Производительность, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кэша в основную память. Кроме того, в случае кэширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кэшах.

      Кэширование интернет-страниц

      В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц - процесс сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машине пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика . Таким образом, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи CMS конкретного сайта для снижения нагрузки на сервер при большой посещаемости. Кэширование может производится как в память, так и в файловый кэш (

    Кэш[или кеш (англ. cache, от фр.
    Размещено на реф.рф
    cacher - прятать; произносится - кэш) - промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая с наибольшей вероятностью должна быть запрошена быстродействующей памятью, к примеру оперативной. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти (внешней) или их перевычисление, за счёт чего уменьшается среднее время доступа.

    Впервые слово ʼʼкэшʼʼ в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале ʼʼIBM Systems Journalʼʼ. Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели ʼʼвысокоскоростной буферʼʼ, но из-за отсутствия идей сам предложил слово ʼʼкэшʼʼ. Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы IBM, их работа получила распространение и впоследствии была улучшена, а слово ʼʼкэшʼʼ вскоре стало использоваться в компьютерной литературе как общепринятый термин.

    Функционирование

    Диаграмма кэша памяти ЦПУ

    Кэш - это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее ʼʼосновная памятьʼʼ). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами и веб-серверами.

    Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

    Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всœего исследуется кэш. В случае если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай принято называть попаданием кэша. В случае если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай принято называть промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, принято называть уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

    К примеру, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL - это идентификатор, а содержимое веб-страницы - это элементы данных.

    В случае если кэш ограничен в объёме, то при промахе должна быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

    При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

    В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

    В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или ʼʼгрязныйʼʼ). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения крайне важно го элемента данных.

    В случае, в случае если данные в основной памяти бывают изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

    [править]

    Кэш центрального процессора

    Ряд моделœей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

    См. также: Translation lookaside buffer.

    Уровни кэша

    Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров - до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

    Самой быстрой памятью является кэш первого уровня - L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик - не более 128 Кбайт.

    Вторым по быстродействию является L2-cache - кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, к примеру, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах - набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования - при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. При этом, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, к примеру, СУБД, производительность может упасть в десятки раз.

    Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он должна быть очень внушительного размера - более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.

    Кэш второго и третьего уровней наиболее полезен в математических задачах, к примеру, при обсчёте полигонов, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно сразу записать всœе данные в кэш, а затем производить их обработку.

    Ассоциативность кэша

    Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти - уровень ассоциативности - отображает её логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всœех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. По этой причине ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке бывают данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ должна быть связано более одной строки кэш-памяти: к примеру, n-канальная ассоциативность (англ. n-way set associative) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.

    При одинаковом объёме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.

    Кэширование внешних накопителœей

    Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 64 Мбайт (модели с поддержкой NCQ/TCQ используют её для хранения и обработки запросов), устройства чтения CD/DVD/BD-дисков также кэшируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система также использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (в том числе для внешних устройств, не обладающих собственной кэш-памятью, в т.ч. жёстких дисков, flash-памяти и гибких дисков).

    Применение кэширования внешних накопителœей обусловлено следующими факторами:

    скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителœей;

    некоторые блоки памяти внешних накопителœей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всœех процессов;

    доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, в связи с этим использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;

    для некоторых блоков памяти внешних накопителœей не требуется непосредственной записи после модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.

    Кэширование, выполняемое операционной системой

    Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:

    набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длинœе блоку данных соответствующего устройства внешней памяти;

    набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера;

    хеш-таблицы, содержащей соответствие номера блока заголовку;

    списки свободных буферов.

    Алгоритм работы кэша с отложенной записью

    Изначально всœе заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. В случае если процесс намеревается прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:

    пытается найти в хеш-таблице заголовок буфера с заданным номером;

    в случае, в случае если полученный буфер занят, ждёт его освобождения;

    в случае, в случае если буфер не найден в хеш-таблице, берёт первый буфер из хвоста списка свободных;

    в случае, в случае если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения (см. ниже);

    в случае, в случае если полученный буфер помечен как ʼʼгрязныйʼʼ, выполняет асинхронную запись содержимого буфера во внешнюю память.

    удаляет буфер из хеш-таблицы, в случае если он был помещён в неё;

    помещает буфер в хеш-таблицу с новым номером.

    Процесс читает данные в полученный буфер и освобождает его. В случае модификации процесс перед освобождением помечает буфер как ʼʼгрязныйʼʼ. При освобождении буфер помещается в голову списка свободных буферов.

    Таким образом:

    если процесс прочитал некоторый блок в буфер, то велика вероятность, что другой процесс при чтении этого блока найдёт буфер в оперативной памяти;

    запись данных во внешнюю память выполняется только тогда, когда не хватает ʼʼчистыхʼʼ буферов, либо по запросу.

    Алгоритм вытеснения

    В случае если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:

    LRU (Least Recently Used) - вытесняется буфер, неиспользованный дольше всœех;

    MRU (Most Recently Used) - вытесняется последний использованный буфер;

    LFU (Least Frequently Used) - вытесняется буфер, использованный реже всœех;

    ARC (англ.) (Adaptive Replacement Cache) - алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU, запатентованный IBM.

    Применение того или иного алгоритма зависит от стратегии кэширования данных. LRU наиболее эффективен, в случае если данные гарантированно будут повторно использованы в ближайшее время. MRU наиболее эффективен, в случае если данные гарантированно не будут повторно использованы в ближайшее время. В случае, в случае если приложение явно указывает стратегию кэширования для некоторого набора данных, то кэш будет функционировать наиболее эффективно.

    Программное кэширование

    Политика записи при кэшировании

    При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. По этой причине в различных приложениях должна быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..

    Существуют две основные политики записи кэш-памяти - сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).

    сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кэш и в основную память.

    отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кэш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП, контроллер DMA) либо нехватки места в кэше для размещения других данных. Производительность, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кэша в основную память. Вместе с тем, в случае кэширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кэшах.

    Кэширование интернет-страниц

    В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц - процесс сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машинœе пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи HTTP-заголовков.

    Как вариант, кэширование веб-страниц может осуществляться с помощью CMS конкретного сайта для снижения нагрузки на сервер при большой посœещаемости. Кэширование может производится как в память, так и в файловый кэш (кэш на файлах).

    Кэширование результатов работы

    Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы не вычислять их каждый раз, когда они понужнобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кэширования является индексирование баз данных.

    Как уже упоминалось ранее, статическая оперативная память нашла применение в кэш-памяти . Основное достоинство статической памяти - это ее быстродействие. Основной недостаток - большой физический объем, занимаемый памятью и высокое энергопотребление.


    Напомним, что ячейка статической памяти построена на транзисторном каскаде, который может содержать до 10 транзисторов. Поскольку, время переключения транзистора из одного состояния в другое ничтожно мало, то и скорость работы статической памяти высока.


    Кэш-память имеет небольшой объем и размещается непосредственно на процессорном кристалле. Ее скорость работы гораздо выше, чем у динамической памяти (модули ОЗУ), но ниже, чем работают регистры общего назначения (РОН) центрального процессора.


    Впервые кэш-память появилась на 386-х компьютерах и располагалась она на материнской плате. Материнские платы 386 DX имели кэш-память объемом от 64 до 256 Кб. 486-е процессоры уже имели кэш-память, расположенную на процессорном кристалле, но кэш-память на материнской плате была сохранена. Система кэш-памяти стала двухуровневой: память на кристалле стали называть кэшем первого уровня (L1), а на материнской плате - кэшем второго уровня (L2). Со временем кэш второго уровня "перебрался" на кристалл процессора. Первой это осуществила AMD на процессоре K6-III (L1 = 64 Kb, L2 = 256 Kb).

    Наличие кэшей двух уровней потребовало создания механизма их взаимодействия между собой. Существует два варианта обмена информацией между кэш-памятью первого и второго уровня, или, как говорят, две кэш-архитектуры: инклюзивная и эксклюзивная .

    Инклюзивная кэш-память

    Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации, находящейся в L1 и L2.


    Схема работы следующая. Во время копирования информации из ОЗУ в кэш делается две копии, одна копия заносится в L2, другая копия - в L1. Когда L1 полностью заполнен, информация замещается по принципу удаления наиболее "старых данных" - LRU (Least-Recently Used). Аналогично происходит и с кэшем второго уровня, но, поскольку его объем больше, то и информация хранится в нем дольше.


    При считывании процессором информации из кэша, она берется из L1. Если нужной информации в кэше первого уровня нет, то она ищется в L2. Если нужная информация в кэше второго уровня найдена, то она дублируется в L1 (по принципу LRU), а затем, передается в процессор. Если нужная информация не найдена и в кэше второго уровня, то она считывается из ОЗУ по схеме, описанной выше.


    Инклюзивная архитектура применяется в тех системах, где разница в объемах кэшей первого и второго уровня велика. Например, у Pentium 3 (Coppermine): L1 = 16 Kb, L2 = 256 Kb; Pentium 4: L1 = 16 Kb, L2 = 1024 Kb. В таких системах дублируется небольшая часть кэша второго уровня, это вполне приемлемая цена за простоту реализации инклюзивного механизма.

    Эксклюзивная кэш-память

    Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в L1 и L2.


    При считывании информации из ОЗУ в кэш - информация сразу заносится в L1. Когда L1 заполнен, то, по принципу LRU информация переносится из L1 в L2.


    Если при считывании процессором информации из L1 нужная информация не найдена, то она ищется в L2. Если нужная информация найдена в L2, то по принципу LRU кэши первого и второго уровня обмениваются между собой строками (самая "старая" строка из L1 помещается в L2, а на ее место записывается нужная строка из L2). Если нужная информация не найдена и в L2, то обращение идет к ОЗУ по схеме, описанной выше.


    Эксклюзивная архитектура применяется в системах, где разность между объемами кэшей первого и второго уровня относительно невелика. Например, у Athlon XP: L1 = 64 Kb, L2 = 256 Kb. В эксклюзивной архитектуре кэш-память используется более эффективно, но схема реализации эксклюзивного механизма гораздо сложнее.

    Взаимодействие кэш-памяти с ОЗУ

    Поскольку, кэш-память работает очень быстро, то в кэш помещается информация, к которой часто обращается процессор - это значительно ускоряет его работу. Информация из ОЗУ помещается в кэш, а потом к ней обращается процессор. Существует несколько схем взаимодействия кэш-памяти и основной оперативной памяти.


    Кэш-память с прямым отображением. Самый простой вариант взаимодействия кэша с ОЗУ. Объем ОЗУ делится на сегменты (страницы), по объему равные объему всего кэша (например, при объеме кэша 64 Кб и ОЗУ разбивается на страницы по 64 Кб). При взаимодействии кэша с ОЗУ, одна страница ОЗУ размещается в кэш-памяти, начиная с нулевого адреса (т.е., с самого начала кэша). При повторной операции взаимодействия, следующая страница накладывается поверх существующей - т.е., фактически прежние данные заменяются на текущие.


    Достоинства : простая организация массива, минимальное время поиска.

    Недостатки : неэффективное использование всего объема кэш-памяти - ведь вовсе не обязательно, что данные будут занимать весь объем кэша, они могут занимать и 10%, но следующая порция данных уничтожает предыдущую, таким образом, фактически имеем кэш с гораздо меньшим объемом.


    Наборно-ассоциативная кэш-память. Весь объем кэша делится на несколько равных сегментов, кратных двойке в целой степени (2, 4, 8). Например, кэш 64 Кб может быть разделен на:

    • 2 сегмента по 32 Кб каждый;
    • 4 сегмента по 16 Кб каждый;
    • 8 сегментов по 8 Кб каждый.

    Pentium 3 и 4 имеют 8-канальную структуру кэша (кэш разбит на 8 сегментов); Athlon Thunderbird - 16-канальную.


    При такой организации, ОЗУ делится на страницы, равные по объему одному сегменту кэша (одному кэш-банку). Страница ОЗУ пишется в первый кэш-банк; следующая страница - во второй кэш-банк и т.д., пока все кэш-банки не будут заполнены. Дальнейшая запись информации идет в тот кэш-банк, который не использовался дольше всего (содержит самую "старую" информацию).


    Достоинства : повышается эффективность использования всего объема кэша - чем больше кэш-банков (выше ассоциативность), тем выше эффективность.

    Недостатки : более сложная схема управления работой кэша; дополнительное время на анализ информации.


    Ассоциативная кэш-память. Это предельный случай предыдущего варианта, когда объем кэш-банка становится равным одной строке кэш-памяти (дальше делить уже некуда). При этом любая строка ОЗУ может быть сохранена в любом месте кэш-памяти.


    Запоминающий кэш-массив состоит из строк равной длины. Емкость такой строки равна размеру пакета, считываемого из ОЗУ за 1 цикл (например, Pentium 3 - 32 байта; Pentium 4 - 64 байта). Строка загружается в кэш и извлекается только целиком.


    Достоинства : максимальная эффективность использования пространства кэш-памяти.

    Недостатки : наибольшие затраты времени на поиск информации.