Как работает и какой бывает кэш-память

Предлагаем разобраться, какие бывают виды кэша, что они из себя представляют, почему наличие такой памяти существенно влияет на производительность.

Что такое кэш-память

«Cache» с английского языка переводится как «запас», а назначение кэш-памяти – сохранять данные, которые человек использует в текущее время. Это делается, чтобы процессор устройства смог получить доступ к информации оперативнее. Иными словами, она представляет собой звено, находящееся, как правило, между процессором и ОЗУ, ускоряющее обмен данными, сокращающее время загрузки. Процедуру отправки информации в «запас» принято называть кэшированием.

Cache является небольшим, дорогим видом памяти, который может находиться между менее «шустрыми» хранилищами информации (жесткий диск, ОЗУ) и более «расторопными» компонентами системы.

Принцип работы базируется на следующих алгоритмах: процессор, чтобы постоянно не обращаться к медлительной оперативке, предпочитает использовать более скоростную ее коллегу – кэш-память. Поэтому он сперва проверяет наличие запрашиваемого в последней, и если инфа находится, то процессор моментально может получить к ней доступ. В ином случае приходится обращаться к ОЗУ, что существенно замедляет предоставление ответа на запрос.

Зачем нужен кэш

Основное назначение кэш-памяти – хранить часто запрашиваемую информацию и быстро передавать ее по запросу. Сравнивая темпы работы оперативной памяти и кэша, можно увидеть, что последний считывает, записывает эффективнее, почти в режиме текущего времени. Такой подход дает возможность оперативно реагировать на запросы процессора, обрабатывать внушительные объемы данных.

Кэш-память имеет большое значение для:

1. Ускорения доступа к информации. Загрузив файлы на устройство, человек может открыть их в секунду, не ждать их повторной закачки.
2. Повышения производительности ПК, мобильных гаджетов. Десктопы и другое оборудование расходуют меньшее количество ресурсов, если постоянно нужные данные уже размещены в памяти. Уже нет необходимости их создавать, загружать.
3. Экономии Internet-трафика. Пользующиеся популярностью у пользователя веб-страницы сохраняются особым способом, отпадает необходимость заново их скачивать, растрачивать трафик – обозреватель будет загружать только новый материал, новости.

Различные виды кэш-памяти выполняют важную функцию скоростной загрузки при работе с программами, управлении операциями в режиме online.

Виды кэш-памяти

Выделяют 2 основных вида кэш-памяти: аппаратный и программный. Чем они отличаются и в чем назначение, разберемся ниже.

По месту хранения

Речь идет об аппаратном виде кэш-памяти, где данный механизм системы должен поддерживаться CPU, жесткими дисками и т. д. Рассмотрим детальнее.

Кэш CPU

Размещается между основной памятью и CPU, подразделяется на несколько уровней, в зависимости от близости положения к процессору:

1. L1 (1-ый уровень). Находится непосредственно на самом процессоре, содержит данные, которые очень часто используют.
2. L2 (2-ой уровень). Сверхоперативный вариант, имеющий показатели ниже 1-го уровня, но больше основной ОЗУ.
3. L3. Отличается от предыдущего более низким быстродействием по сравнению со вторым уровнем, но превышающим показатели основной памяти.

Дисковый кэш

Вид, который пользуется определенной частью ОЗУ для временного хранения данных, недавно считанных с диска, записанных на него. Выделяют несколько разновидностей cache:

1. Операционной системы. Большая часть ОС, в целях исполнения собственной системы файлов, поддерживают дисковый вариант памяти.
2. Дискового контроллера. Есть контроллеры, которые используют данный встроенный механизм, чтобы ускорить операции с диском.
3. ПО для кэширования дисков. Системы могут предусматривать установку ПО для подобного действия.

Веб-кэш

Речь идет о способе хранения скопированного веб-контента на определенных серверах или устройствах пользователей: например, картинки, HTML-странички, мультимедийные материалы. Перечислим виды данного варианта кэш-памяти, назначение каждого из них:

1. Cache обозревателя. Происходит выделение определенного пространства на диске ПК, чтобы сохранить там ранее просматриваемый контент. Применяется для просмотра страниц при команде «вперед/назад», помогает сохранить страницы, посмотреть код без обращения к серверу.
2. Прокси. Функционируют по аналогии с первым вариантом, но в более глобальном масштабе. Назначение кэш-памяти в этом случае – обслужить большое количество пользователей, сокращая период ожидания, трафик.
3. Шлюз. Данный вид находит применение у веб-мастеров для создания масштабируемого, надежного сайта. CDN раскидывают шлюзы по Всемирной паутине, предоставляют закэшированный материал сайтам.

Кэш DNS

Способ, позволяющий на время сохранить локально на устройствах пользователей, DNS-платформах свежие разрешенные сопоставления имени домена и IP-адреса.

1. Клиентский DNS-cache. Он поддерживается оборудованием клиентов (ПК, мобильники, маршрутизаторы). Назначение кэш-памяти этого вида – в хранении разрешенных записей DNS для посещенных в недавнем времени доменов, ускорении следующих запросов.
2. Кэширование, поддерживаемое разнообразными DNS-серверами, в том числе управляемыми ISP.

По способу формирования

Подразумевается программный способ кэширования – наличие папок на диске оборудования, где ПО, сервисы хранят файлы, дающие быстрый доступ. Каждая программ имеет собственную папку с определенным содержимым.

Статический кэш

Базой служит статическая оперативка (SRAM). Кэширование применяется для хранения контента, который не нужно систематически обновлять.

Динамический кэш

Вид кэш-памяти, где всегда происходят изменения, если они имеют место в хранилищах. Старая информация переписывается на новую. Любое приложение, применяющее кэширование, имеет возможность вносить изменения прямо в кэш.

Плюсы использования кэш-памяти

Использование кэширования – обязательный процесс для современного цифрового оборудования, приложений. Без этого механизма интернет и ИТ-индустрия в целом не смогли бы эффективно функционировать. Назначение видов кэш-памяти может выражаться в следующем:

1. Рост производительности. Приложение начинают работать быстрее, результативнее: не нужно систематический затрачивать время на загрузку разных сведений.
2. Уменьшение нагрузки. При наличии кэширования начинают реже обращаться к основному хранилищу, благодаря этому у него заметно падает нагрузка. Это актуально по отношению к серверам – появляется реальный шанс избежать отказов, понижения работоспособности платформ в пиковое время.
3. Увеличение пропускной способности. Учитывая все ранее перечисленное, мы можем говорить о повышении пропускной способности, касательно, например, таких операций, как чтение информации, запись. Они могут выполняться в ограниченном объеме за единицу времени. Назначение кэш-памяти – увеличить показатели, способствовать проведению большего числа операций.
4. Оптимизация. Если сведения, к которым постоянно предпочитают обращаться пользователи, будет сохраняться обычным способом, то ситуация негативно отразиться на работоспособности оборудования, снизится скорость. Применение кэширования позволит оптимизировать процессы, убыстрить доступ к необходимой странице, распределить равномерно нагрузку.
5. Уменьшение расходов. Данный пункт особо актуален для веба. Применение кэша (серверного, сетевого) будет способствовать уменьшению затрат на ресурсы для БД, серверов, хотя сам механизм тоже стоит денег, но его использование выходит дешевле перечисленных расходов.

Минусы использования кэш-памяти

Несмотря на все наглядные плюсы, имеются и минусы:

1. Аппаратный вариант является весьма дорогостоящей в производстве структурой. Нельзя забывать, что этот способ энергозависим. При отключении любого цифрового оборудования все полученные данные теряются.
2. Программный механизм не сможет решить все вопросов касательно памяти. Кэш ограничивается по объемам, алгоритмы не предоставляют возможности сохранять в нем файлы ничем не ограниченный период времени. Для долгого хранения чувствительной информации он невыгоден.
3. Оптимальных для всех случаев жизни схем кэширования не придумали. Поэтому этим занимаются специалисты, исходя из задач конкретного ПО. Иногда оно носит узкоспециализированный характер, требует сугубо индивидуального подхода.

Зачем чистить кэш

Специалисты рекомендуют периодически удалять кэшированную информацию. Это объясняется следующими причинами:

1. Замедляется работа приложений. В случае переполнения памяти работоспособность программного обеспечения заметно снижается.
2. Появляется вероятность ошибок в ПО, на веб-ресурсах из-за наличия устаревших файлов. Это может выглядеть как неправильное отображение сайта после обновления.
3. Недостаточно пространства на жестком диске. Для данного вида памяти требуется определенное место на устройстве. В процессе работы его может не хватить, чистка от ненужного поможет высвободить немного места.
4. Посредством кэшированных данных можно отслеживать действия пользователей. Для многих людей это может быть нежелательно, поэтому такую вероятность следует принимать во внимание, если используется общедоступное устройство.

Мы советуем делать очистку своевременно. Как правило, мобильные телефоны, планшеты с помощью системных уведомлений сообщают, что места почти не осталось. Это подходящий случай заняться «уборкой».

В отношении Android эту процедуру можно провести вручную, через «Настройки», а также получить положительный результат посредством специального ПО (например, приложение Files, предлагаемое Гугл).

Что касается Windows, чистку можно провести через «Пуск», далее вбить запрос «Параметры хранилища», найти раздел с временными файлами, кликнуть «Удалить». Другой способ – воспользоваться приложениями типа CCleaner.

Самый распространенный способ очистки от кэшированного материала – осуществление процедуры в обозревателе. При работе с определенной страницей нажимается Ctrl+F5. Результат – сброс временных файлов. Для удаления всего ненужного, связанного с предыдущими просмотрами, можно воспользоваться настройками самого браузера.

Заключение

Кэш-память значительно влияет на общую работоспособность всей системы. Скоростные чтение, запись, минимальный период получения доступа к необходимым сведениям – то, что существенно может повысить лояльность пользователей, сделать их пребывание на веб-площадках комфортным, полезным.

Автор: Макхост