# Факти | Як працює кешування?

1. Як працює кешування в браузері?
2. технологія кешування
3. Принцип локальності посилань

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

Що таке кеш-пам'ять ми вже знаємо . Настала пора розглянути принцип технології кешування. Багато користувачів вважають, що дивляться веб-сторінки безпосередньо «десь там» в далекому і загадковому Інтернеті. Насправді, кожна відкривається вами сторінка спочатку зберігається на жорсткий диск вашого комп'ютера. Як може маленька кеш-пам'ять прискорювати роботу оперативної пам'яті, яка значно більше? Справа в тому, що навіть величезне з додатків складається з окремих байтів. І лише деякі з них використовуються одночасно.

Як працює кешування в браузері?

Інтернет-з'єднання є найповільнішим джерелом інформації на вашому комп'ютері. Тому веб-браузер зберігає веб-сторінки в спеціальній папці на жорсткому диску. Тобто, ви переглядаєте сторінки зі свого комп'ютера, а не «з Інтернету», як прийнято говорити.

Коли ви в перший раз запитуєте веб-сторінку, браузер знаходить її за вказаною вами адресою і зберігає її копію на жорсткий диск. При наступному зверненні браузер перевіряє оновилася ця сторінка на віддаленому сервері в порівнянні з її кешованої копією. Якщо дані не змінилися, браузер відкриває запитану вами сторінку з жорсткого диска і не завантажує її повторно з Інтернету. У цій ситуації жорсткий диск вашого комп'ютера виступає в ролі меншою за розміром, але порівняно швидкої пам'яті. Зрозуміло, по відношенню до безкрайньому Інтернету, оскільки в порівнянні з іншими модулями пам'яті локального комп'ютера жорсткий диск працює вкрай повільно. При цьому його обсяг більше, ніж, наприклад, у оперативної пам'яті (ОЗУ, RAM).

Кеш вбудовується також в периферійні пристрої. Сучасні жорсткі диски обладнані додатковою швидкою пам'яттю. Вона невелика і може становити 8 або 16 мегабайт. Ще кілька років тому кеш-пам'ять жорсткого диска становила всього 512 кілобайт. Комп'ютер не може безпосередньо використовувати цю пам'ять. Працювати з нею вміє тільки контролер жорсткого диска. З точки зору комп'ютера ці чіпи пам'яті і є диском.

Коли комп'ютер запитує дані з жорсткого диска, контролер цього накопичувача спочатку перевіряє свою кеш-пам'ять і лише потім звертається до своїх механічних компонентів. Якщо запитані комп'ютером дані будуть знайдені в кеш-пам'яті жорсткого диска, контролер направить їх комп'ютера, не звертаючись до диска безпосередньо. Це дозволяє заощадити масу часу.

Якщо у вас ще зберігся флоппі-дисковод, то можете самі подивитися, як працює кешування. Відкрийте порівняно великий файл, наприклад 300-кілобайтний текстовий файл. Спочатку індикатор флоппі-приводу замигает. Цей старовинний дисковод вкрай повільний і вам доведеться секунд двадцять почекати першого завантаження такого файлу. Тепер закрийте текстовий файл і відкрийте його знову. Тільки не чекайте занадто довго, відразу і відкривайте.

Операційна система перевірить свій кеш пам'яті, зарезервований для флоппі-дисковода, і знайде там потрібний вам файл. В результаті вам не доведеться чекати цілих двадцять секунд. Знайдені в підсистемі пам'яті дані будуть завантажені набагато швидше. Справа в тому, що один цикл доступу до флоппі-диску займає 120 тисячних часток секунди (120 мілісекунд), а на звернення до оперативної пам'яті йде приблизно 60 мільярдних часток секунди (60 наносекунд). Навіть якщо не проводити складних математичних підрахунків, можна відразу помітити, що системна пам'ять набагато швидше флоппі-дисковода. Так само йдуть справи і з жорстким диском, але на ньому затримка завантаження менш помітна, оскільки цей накопичувач працює з більшою швидкістю, ніж привід для магнітних дискет.

Хоча з ієрархією комп'ютерної пам'яті ми вже знайомі , Має сенс знову розглянути ті її ступені, які мають безпосереднє відношення до нашого сьогоднішнього розповіді. Кеш першого рівня (L1) менше, але швидше кеша другого рівня (L2), який менше, але швидше системної оперативної пам'яті. Вона, в свою чергу, поступається обсягом жорсткого диска, але перевершує його за швидкістю. А жорсткий диск - навіть найбільший - здатний зберігати набагато менше даних, ніж гігантська Глобальна мережа.

технологія кешування

У багатьох відразу виникає питання: «А чому б не обладнати комп'ютер найшвидкіснішій пам'яттю, такою, що використовується в кеші першого рівня? Адже тоді кешування стане непотрібним! »З технічної точки зору це можливо, але варто було б неймовірно дорого. Ідея кешування якраз і полягає в використанні невеликого модуля порівняно дорогий пам'яті для того, щоб прискорити роботу більш дешевого, але менш швидкого сховища даних.

Як приклади будемо використовувати застарілі комп'ютери, чиї технічні характеристики менш складні для підрахунків. Перед конструкторами, які працюють над створенням комп'ютерів, стоїть завдання забезпечення роботи процесора на його максимальної швидкості при мінімізації витрат. 500-мегагерцовим мікропроцесор здатний за одну секунду здійснювати 500 мільйонів циклів. На один цикл такого (сильно застарілого) процесора йде всього дві наносекунди. Без кеш-пам'яті першого і другого рівнів, на доступ до оперативної пам'яті піде 60 наносекунд, тобто будуть втрачені приблизно 30 циклів звернення до пам'яті.

При цьому навіть незначного розміру модуль швидкісний пам'яті здатний збільшити продуктивність взаємодії процесора з оперативною пам'яттю. 256-кілобайтний кеш другого рівня (L2) досить для кешування 64-мегабайтной оперативної пам'яті. Тобто ~ 256 тисяч байт здатні ефективно кешувати 64 мільйони байт. Як це взагалі може працювати?

У комп'ютерних науках існує така теоретична концепція, як локальність посилання (locality of reference). Це означає, що лише невелика частина великої програми використовується в один і той же момент часу. Принаймні, саме так йдуть справи в більшості випадків. Принцип локальності посилання до переважної більшості програм. Якщо виконуваний файл програми займає 10 мегабайт, лише лічені байти використовуються в один момент часу. І вкрай рідко виникає така ситуація, при якій це число сильно зростає. Концепція локальності посилання заслуговує того, щоб розглянути її трохи докладніше, оскільки саме на ній базується кешування в цілому.

Принцип локальності посилань

Подивимося, як працює концепція локальності посилань на прикладі простого псевдокоду:

Output to screen «Enter a number between 1 and 100»
Read input from user
Put value from user in variable X
Put value 100 in variable Y
Put value 1 in variable Z
Loop Y number of time
Divide Z by X
If the remainder of the division = 0
then output «Z is a multiple of X»
Add 1 to Z
Return to loop
End

Ця маленька програмка просить користувача ввести число між 1 і 100. Вона зчитує його значення. Потім програма ділить кожне число все числа між 1 і 100 на самі ввели дільник. Програма перевіряє, чи не є число нулем (на який, як відомо з шкільного курсу математики, розподіл неможливо). Після всього цього програма завершує свою роботу.

Рядки від сьомої до дев'ятої є циклом, які виконується сто раз. Решта всіх рядків виконуються тільки один раз. Завдяки кешуванню, рядки з сьомої по дев'яту виконуються значно швидше.

Ця програма дуже мала і поміститься навіть в найменшому кеші першого рівня. Але давайте уявимо собі, що перед нами гігантська програма. Велика частина дій програм проводиться всередині циклів. Текстовий редактор проводить 95% часу в очікуванні введення даних користувачем і займається в цей час виведенням їх на екран. І ця частина роботи текстового редактора відбувається в кеші.

Це приблизне співвідношення 95% до 5% і є тим, що ми називаємо локальностью посилання. Завдяки такому порядку речей кеш працює ефективно. Це відповідь на питання про те, як маленький кеш оптимізує роботу великий пам'яті. Тому в створенні дуже дорогого комп'ютера зі надшвидкої пам'яттю немає ніякого сенсу. Сучасний користувач і так отримує 95% ефективності цього фантастичного диво-комп'ютера, причому за порівняно помірну ціну.

Не завжди нарощування ресурсів вашого комп'ютера призведе до істотного збільшення ефективності. Нашим читачам уже відомо , Що додавання оперативної пам'яті дозволяє підвищити продуктивність далеко не у всіх випадках.

За матеріалами computer.howstuffworks.com