Кеш

Кэш (англ. cache^[1], произносится kæʃ кЭш) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, что делает среднее время доступа короче.

История

Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы [2]

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 «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.

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, 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

Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:

1. скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителей;
2. некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;
3. доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
4. 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 на файлах).

   Кэширование результатов работы

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

   Примечания

   1. ↑ Cache произносится [kæʃ]. Некоторые словари рекомендуют орфографическое написание «Кеш», произносится [кэш] (см. Русский орфографический словарь: около 180 000 слов. / Российская академия наук. Институт русского языка им. В. В. Виноградова / О. Е. Иванова, В. В. Лопатин (отв. ред.), И. В. Нечаева, Л. К. Чельцова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва, 2004. — 960 с.). Но большинство словарей указывают написание "Кэш" (см. Большой толковый словарь русского языка Автор: Сост. и гл. ред. С. А. Кузнецов 2000 г. РАН Институт лингвистических исследований, Захаренко Е. Н., Комарова Л. Н., Нечаева И. В. Новый словарь иностранных слов. М., 2003, Толковый словарь по вычислительной технике, Microsoft Press, из-во "Русская Редакция", 1995), кроме того данный термин прочно устоялся в компьютерной литературе и докмуентации с написанием «Кэш».
   2. ↑ G. C. Stierhoff, A. G. Davis. A History of the IBM Systems Journal // IEEE Annals of the History of Computing. — январь 1998. — Т. 20. — № 1. — С. 29—35. DOI:10.1109/85.646206

   См. также

   • Кэш запросов (СУБД)
   • Ассоциативная память
   • Хеширование
   • Ассоциативный массив
   • Буферизация (информатика)
   • Буфер (информатика)

   • Литература

     • М. Дж. Бах. Архитектура операционной системы UNIX