Компьютер, увы, не моментально выполняет команды, которые получает от людей. Для ускорения этого процесса применяется ряд хитростей, и почетное место среди них принадлежит кэшированию. Что это такое? Чем являются кэшированные данные? Как этот процесс собственно происходит? Что такое кэшированные данные в смартфоне "Самсунг", к примеру, и отличаются они чем-то от тех, что в компьютере? Давайте приступим к получению ответов на эти вопросы.

Так называют промежуточный буфер, который обеспечивает быстрый доступ к информации, вероятность запроса которой выше всего. Все данные содержатся в нём. Важным преимуществом является то, что извлечь всю необходимую информацию из кэша можно значительно быстрее, чем из исходного хранилища. Но существует значительный недостаток - размер. Кэшированные данные применяются в браузерах, жестких дисках, ЦПУ, веб-серверах, службах WINS и DNS. Основой структуры являются наборы записей. Каждая из них ассоциирована с определённым элементом или блоком данных, которые выступают копией того, что есть в основной памяти. Записи имеют идентификатор (тег), с помощью которого и определяется соответствие. Давайте посмотрим с немного другой точки зрения: что такое кэшированные данные в телефоне "Самсунг" или другого производителя? Отличаются ли они от тех, что создаются в компьютере? С принципиальной точки зрения - нет, разница исключительно в размере.

Процесс использования

Когда клиент (они были перечислены выше) запрашивает данные, то первое, что делает компьютер - исследует кэш. Если в нём находится необходимая запись, то она и используется. В этих случаях происходит попадание. Периодически данные из КЭШа копируются в основную память. Но если нужная запись не была найдена, то происходит поиск содержимого в базовом хранилище. Вся взятая информация переносится в кэш, чтобы к ней потом можно было обращаться более быстро. Процент, когда запросы увенчиваются успехом, называется уровнем или коэффициентом попадания.

Обновление данных

При использовании, допустим, веб-браузером осуществляется проверка локального кэша с целью найти копию страницы. Учитывая ограниченность данного при промахе принимается решение отбросить часть информации, чтобы освободить пространство. Чтобы решить, что именно будет заменено, используют различные алгоритмы вытеснения. Кстати, если говорить о том, что такое кэшированные данные на "Андроиде", то в массе своей они используются для работы с картинками и данными приложений.

Политика записи

Во время модификации содержимого кэша обновляют данные и в основной памяти. Временная задержка, которая проходит между внесением информации, зависит от политики записи. Существует два основных типа:

Немедленная запись. Каждое изменение синхронно заносится в основную память.
Отложенная или обратная запись. Обновление данных проводится периодически или при запросе со стороны клиента. Чтобы отслеживать, было ли внесено изменение, используют признак с двумя состояниями: «грязный» или изменённый. В случае промаха может производиться два обращения, направленные основной памяти: первое используется, чтобы записать данные, что были изменены из кэша, а второе - чтобы прочитать необходимый элемент.

Может быть и такое, что информация в промежуточном буфере становится неактуальной. Это происходит при изменении данных в основной памяти без внесения корректировок в кэш. Для согласованности всех процессов редактирования используют протоколы когерентности.

Современные вызовы

С увеличением частотности процессоров и повышением производительности оперативной памяти появилось новое проблемное место - ограниченность интерфейса Что из этого может подметить знающий человек? Кэш-память очень полезна, если частота в ОЗУ меньше чем в процессоре. Многие из них имеют свой собственный промежуточный буфер, чтобы уменьшить время доступа к оперативной памяти, которая действует медленнее, нежели регистры. В ЦП, которые поддерживают виртуальную адресацию, часто размещают небольшой, но очень быстрый буфер трансляций адресов. Но в других случаях кэш не очень полезен, а иногда только создаёт проблемы (но это обычно в компьютерах, которые подверглись модификации непрофессионалом). Кстати, говоря о том, что такое кэшированные данные в памяти смартфона, надо отметить, что из-за маленького размера устройства приходится создавать новые миниатюрные реализации кэша. Сейчас некоторые телефоны могут похвастаться параметрами, как у передовых компьютеров десять лет назад - а какая разница в их размере!

Синхронизация данных между разными буферами

Инклюзивный. Кэш может вести себя как угодно.
Эксклюзивный. Разрабатывался под каждый конкретный случай.
Неэкслюзивный. Стандарт широкого распространения.

Уровни кэширования

Их количество обычно равняется трём или четырём. Чем больше уровень памяти, тем она объемнее и медленнее:

L1 cache. Самый быстрый уровень кэша - первый. По сути, он часть процессора, поскольку расположен на одном кристалле и относится к функциональным блокам. Обычно делится на два вида: кэш инструкций и данных. Большинство современных процессоров без этого уровня не работают. Данный кэш функционирует на частоте процессора, поэтому обращение к нему может осуществлять каждый такт.
L2 cache. Обычно располагается вместе с предыдущим. Является памятью раздельного пользования. Чтобы узнать его величину, необходимо весь объем, отданный под кэширование данных, поделить на количество ядер, которое есть в процессоре.
L3 cache. Медленный, но самый большой зависимый кэш. Обычно больше 24 Мбайт. Используется, чтобы синхронизировать данные, которые поступают от различных кэшей второго уровня.
L4 cache. Использование оправдано только для высокопроизводительных многопроцессорных майнфреймов и серверов. Его реализуют в качестве отдельной микросхемы. Если вы задаёте вопрос о том, что такое кэширование данных в смартфоне "Самсунг" и ищете в нём этот уровень - могу сказать, что лет на 5 точно поторопились.

Ассоциативность кэша

Это фундаментальная характеристика. Ассоциативность кэшированных данных необходима для отображения логической сегментации. Она, в свою очередь, нужна из-за того, что последовательный перебор всех имеющихся строк занимает десятки тактов и сводит на нёт все преимущества. Поэтому используется жесткая привязка ячеек ОЗУ к данным кэша, для сокращения времени поиска. Если сравнивать промежуточные буферы, у которых одинаковый объем, но разная ассоциативность, то тот, у кого она большая, будет работать менее быстро, но с значительной удельной эффективностью.

Заключение

Как видите, кэшированные данные при определённых условиях позволяет вашему компьютеру действовать более быстро. Но, увы, существует ещё довольно много аспектов, над которыми можно работать длительное время.

Кэширование данных – это размещение информации в специальном месте. Позволяет получить быстрый доступ к сохраненным картинкам, веб-страницам. Одним из легких примеров для понимания является браузер, который сохраняет страницы посещенные пользователем для последующего быстрого доступа к ним.

Пространство, специально отделенное для этой области гораздо меньше, чем у хранилища информации.

Кэшированные данные – это информация, которая сохраняется на компьютере или телефоне (в том числе Андроид), после того, как была открыта и просмотрена . Это могут быть фотографии, музыка, игровые приложения и др.

К информации в буфере памяти игровых приложений относятся текстуры, видео, аудио, настройки игры. В процессе кэширования музыки, она сохраняется на накопитель устройства, чтобы в дальнейшем не потреблять трафик и воспроизводиться быстрее не зависимо от скорости Интернета.

При последующих входах на компьютер, где были просмотрены картинки, открыты те или иные страницы, их миниатюры сохраненные в специально отведенной для этого папке позволяют быстрее открыть те же самые фотографии или страницы в интернете.

В телефоне эти данные представляют собой информацию о пройденных уровнях мобильных игр, настройки для различных программ. Это кэшированные файлы, которые телефон сохраняет для того, чтобы пользователь в следующий раз не перенастраивал заново свое мобильное устройство.

Со временем буфер съедает большое количество памяти, поскольку данные постепенно накапливаются и чаще всего автоматически не очищаются. Поэтому рекомендуется иногда проводить ручную очистку.

На телефонах с операционной системой Андроид для того, чтобы произвести очистку необходимо зайти в настройки , найти пункт «Приложения », выбрать определенное приложение, чей размер занимает большой объем и запустить очистку.

На Самсунгах, начиная с операционной системы Android lollipop для этой цели предусмотрена специальная вкладка с названием «Кэшированные данные ». Эта функция самостоятельно собирает информацию о заполнении буфера памяти устройства, а пользователь сможет легко отыскать ее в «Настройках » — пройти до пункта «Память » и кликнуть по ней. На экране среди остальных пунктов будет расположена вкладка «Кэшированные данные».

Кроме данной функции на телефонах Samsung имеется еще одна дополнительная опция для работы с буфером памяти – это смарт менеджер . Он позволяет быстро почистить забивающуюся память.

Как используют кеш

«Спрятанные» (от французского «casher» — прятать) данные используют для облегчения работы хостинг серверов, загрузки игр и приложений. Они формируются на компьютере пользователя в момент открытия — в скрытой временной папке формируются кэшированные файлы. В ней они хранятся до тех пор, пока пользователь вновь не запросит страницу или игру, которую уже открывал.

Подобные файлы сохраняются не только для снятия нагрузки с серверов , также это делается для того, чтобы пользователь не ждал пока откроется картинка или сайт, который он уже однажды просматривал, загрузка происходит с временных файлов, что в несколько раз ускоряет открытие.

Есть еще несколько сходных по смыслу понятий:

Стоит заметить, что чем больше хранилище, тем больше информации компьютер сможет обрабатывать.

В жестких дисках на персональном компьютере присутствие общего кэша почти незаметно , поскольку память превышает в несколько раз размер буферизированной информации. Однако его тоже необходимо чистить с помощью специальных программ.

Кэшированные данные на мобильном телефоне могут очень быстро заполнить встроенный накопитель смарфтона, поэтому желательно постоянно проводит очистку.

Можно ли очищать кэшированные данные

Информацию из буфера рекомендуется удалять . Так как она по мере заполнения влияет на скорость работы мобильных устройств. В следствие этого могут возникать частые ошибки и сбои тех или иных программ. Поэтому при появлении проблем в работе устройства в первую очередь очищайте кеш.

Стоит заметить, что очистка может удалить логины, пароли и сохраненные данные приложений и игр, поэтому чистку постоянно используемых приложений и игр проводить нежелательно.

Кэширование — это один из способов оптимизации Web приложений. В любом приложении встречаются медленные операции (SQL запросы или запросы к внешним API), результаты которых можно сохранить на некоторое время. Это позволит выполнять меньше таких операций, а большинству пользователей показывать заранее сохраненные данные.

Наиболее популярная технология кеширования для Web приложений — Memcache .

Когда нужно кэшировать

Старайтесь избегать кэширования, пока в этом не будет прямой необходимости. Это простая техника, но это снижает гибкость приложения. Не делайте лишнюю работу заранее, но закладывайте возможность использования кэширования в будущем:

Используйте классы или функции, для работы с данными. Не используйте повторяющихся SQL выборок в основном приложении.
Используйте обертки для работы с внешними API.

Что кэшировать?

Кэшировать нужно данные, которые медленно генерируются и часто запрашиваются. На практике это обычно:

Результаты запросов к внешним сервисам (RSS, SOAP, REST и т.п.).
Результаты медленных выборок из базы данных.
Сгенерированные html блоки либо целые страницы.

Кэширование выборок из баз данных

Запросы к базе данных — наиболее распространенный пример. На основе Мemcache реализуется очень просто:

!$list = memcache_get("online_users") ) { $sql = "SELECT * FROM users WHERE last_visit > UNIX_TIMESTAMP() - 60*10"; $q = mysql_query($sql); while ($row = mysql_fetch_assoc($q)) $list = $row; memcache_set("online_users", $list, 60*60); } return $list; } $list = get_online_users(); ...

# Запрос на получение пользователей кэшируется на 1 час

Обновление данных

Если Вы кэшируете данные, которые могут обновляться, необходимо очищать кэш после каждого обновления:

memcache_delete("user" . $id); }

Кэширование списков

Допустим, Вы кэшируете данные каждого пользователя, как в примере, а также их списки (например, список online пользователей). При обновлении данных пользователя, Вы удаляете данные из кэша только для указанного пользователя. Но его данные могут также присутствовать в списке online пользователей, которые тоже лежат в кэше. Сбрасывать списки при каждом обновлении данных любого пользователя не эффективно. Поэтому обычно используют такой подход:

Кэшируют списки, которые состоят только из ID пользователей.
Для вывода списка отправляют отдельный запрос для получения данных каждого пользователя.

Реализация выглядит так:

id FROM users WHERE last_visit > UNIX_TIMESTAMP() - 60*10"; $q = mysql_query($sql); while ($row = mysql_fetch_assoc($q)) $list = $row["id"] ; memcache_set("online_users", $list, 60*60); } return $list; } $list = get_online_users(); foreach ($list as $id) { $user = get_user($id); ... }

# Получим список ID пользователей и для каждого из них получим актуальные данные

Для получения данных сразу нескольких объектов можно использовать Multiget .

Повторные запросы

Некоторые данные могут запрашиваться несколько раз в рамках одной страницы, например:

get_user($_SESSION["id"])["name"] )?>

... Email: get_user($_SESSION["id"])["email"] ?> ... get_user($_SESSION["id"])["nick"] ?>">Моя страница ...

Каждый вызов get_user() будет получать данные из кэша. Если Memcache стоит на отдельном сервере, это вызовет большой сетевой трафик и задержки.

Чтобы этого избежать, можно использовать дополнительный кэш внутри самого приложения:

global $app_cache; if ($app_cache["user" . $id]) return $app_cache["user" . $id]; if (!$data = memcache_get("user" . $id)) { $sql = "SELECT * FROM users WHERE id= " . intval($id); $q = mysql_query($sql); $data = mysql_fetch_assoc($q); memcache_set("user" . $id, $data, 60*60); $app_cache["user" . $id] = $data; } return $data; } function save_user($id, $data) { global $app_cache; mysql_query("UPDATE users SET ... WHERE id = " . intval($id)); memcache_delete("user" . $id); unset($app_cache["user" . $id]); }

В реальных приложениях, имеет смысл иметь обертку для Memcache с дополнительным кэшом:

inner_cache)) return $this->inner_cache[$key]; $data = memcache_get($this->resource, $key); $this->inner_cache[$key] = $data; return $data["value"]; } public static function set($key, $value, $ttl) { memcache_set($key, $value, $ttl); $this->inner_cache[$key] = $value; } public static function del($key) { memcache_delete($key); unset($this->inner_cache[$key]); } }

# $inner_cache хранит дополнительный кэш

Внимание. Использование этого подхода может приводить к утечкам памяти в случаях, когда идет работа с большим количеством данных в кэше. Например, в cron-задачах (допустим, мы перебираем всех пользователей для отправки рассылки). Тогда лучше добавить отключение внутреннего кэша:

public static $inner_cache_enabled = true; public static function get($key) { if (self::$inner_cache_enabled && array_key_exists($key, $this->inner_cache)) return $this->inner_cache[$key]; $data = memcache_get($this->resource, $key); $this->inner_cache[$key] = $data; return $data["value"]; } public static function set($key, $value, $ttl) { memcache_set($key, $value, $ttl); if (self::$inner_cache_enabled) $this->inner_cache[$key] = $value; } public static function del($key) { memcache_delete($key); unset($this->inner_cache[$key]); } } ... mem_cache::$inner_cache_enabled = false;

# Отключаем внутренний кэш

Подогревание

При обновлении особенно тяжелых данных следует использовать не сброс кэша, а прямое обновление данных в нем:

# операции по обновлению внешних ресурсов $data = file_get_contents("http://rss.com/rss"); memcache_set("rss", $data, 60*60); }

Это позволит избежать дополнительной нагрузки при выполнении тяжелых выборок, когда ключ удаляется. Такую методику обычно используют в cron задачах, чтобы периодически обновлять результаты очень тяжелых выборок.

Время жизни (ttl)

ttl (время жизни) — это время, после которого, данные будут удалены из кэша. В Memcache устанавливается в секундах:

60*60 );

# Установка ttl на 1 час

Чаще всего ttl ставят от нескольких минут до нескольких дней. Не используйте значение 0 (бесконечное хранение), это может засорить память.

LRU

Любой кэш работает по принципу вытеснения если ему не хватает памяти. Т.е. если Memcache может использовать максимум 1G памяти, а Вы пытаетесь сохранить ключей на 2G, то половину из этих данных Memcache удалит. Для определения, какие именно ключи удалять, используется алгоритм LRU (Least Recently Used):

Memcache постарается удалить прежде всего те данные, которые запрашивались очень давно (т.е. менее популярные удалит, а более популярные оставит).

Кэширование очень медленных запросов

Представьте, что у Вас есть запрос, который выполняется 10 секунд. Вы сохраняете его в кэш на 1 час. Когда проходит это время, данные в кэше удаляются. В первые 10 секунд после этого Вы сталкиваетесь с ситуацией, когда несколько пользователей одновременно вызывают этот тяжелейший запрос. Это может привести к катастрофическим последствиям, т.к. в течение 10 секунд может быть несколько сотен или тысяч таких вызовов.

Чтобы этого избежать, необходимо использовать специальную методику дублирования .

Атомарные операции

Иногда в кэше хранятся счетчики (например, количество пользователей). При добавлении новых пользователей, вместо сброса счетчика и повторной выборки, можно просто увеличить значение кэша на единицу. Но сделать это через приложение нельзя, т.к. это приведет к потере данных от двух одновременно выполненных запросов:

Memcache поддерживает две атомарные операции увеличения и уменьшения чисел:

# Увеличит счетчик на 1, функция memcache_decrement() уменьшает счетчик

Самое важное

Кэширование в приложениях на основе Memcache — это очень сильный инструмент. Не забывайте, что Memcache не гарантирует Вам сохранности данных. Это значит, что нельзя рассчитывать на то, что сохраненные на 60 минут данные будут находиться в кэше именно 60 минут.

Схема работы кэша

Кэш – это специально отведенный небольшой участок памяти с большей скоростью обмена данными, чем у традиционной. Существует он ввиду несоответствия между вычислительными мощностями процессоров и скоростью считывания информации со стандартных накопителей памяти.

Прогресс требовал увеличения объемов для хранения данных , в то время как быстрота их обработки отставала с самого зарождения компьютеров. Именно из-за этого и был разработан такой «мост». Процесс занесения информации в кэш-память получил название «кэширование ». Собственно, поэтому и важно её своевременно очищать – для сохранения эффективности считывания.

Кэширование в браузерах

Алгоритм кэширования в браузерах

Зачастую, говоря о кэшировании, многие вспоминают о cache -файлах в браузерах. И неудивительно, так как их очистка – один из основных советов, который дают пользователям при возникновении ошибок.

Накапливаются они вместе с числом просмотренных сайтов – с них часть сведений загружается в кэш-память, преследуя этим две цели : ускорить общее время загрузки и уменьшить нагрузку на сетевой трафик. При повторном заходе на сайт, происходит проверка на актуальность данных между сервером и клиентом. Что должно быть сохранено, а что нет, решает создатель веб-страницы.

Кэш в Windows

В операционных системах Windows, файлы кэш-памяти занимают приличное пространство. Сохраняются разнообразные временные файлы , созданные после запуска или изменения какой-либо программы, превью изображений и музыкальных композиций, точки восстановления ОС.

Контролирует данный процесс, так называемый кэш-менеджер , который периодически избавляется от неактуальных ресурсов. Причем, именно эта периодичность и является ключевым фактором эффективной работы: если файлы удалять слишком часто, то система будет тратить время, считывая их вновь, а если слишком редко – попросту не останется места для новых сведений.

Кэш на андройде

На смартфонах с операционной системой Android ситуация выглядит похожим образом, за одним существенным «но» — объем предоставленной памяти значительно ниже , чем на персональном компьютере. Помимо этого, программы после запуска хранятся в трей-листе, откуда их потом можно заново развернуть , со всеми сохраненными изменениями, совершенными в последней сессии.

К сожалению, ОС не очень хорошо справляется с очисткой лишних файлов, из-за чего, при длительном пользовании, приложения могут работать некорректно , а само быстродействие телефона значительно снизится . Для предотвращения этого, рекомендуется использовать сторонние программы , которые производят очистку, например, Clean Master.

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

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.