Kas ir kešatmiņa?

Pieprasot datus no jebkura avota, vienmēr ir zināma aizkave. Ping uz tīmekļa serveriem tiek mērīts milisekundēs, krātuves piekļuves laiks var būt latents mikrosekundēs, savukārt RAM latentums tiek mērīts CPU pulksteņa ciklos. Protams, šāda veida ātrumi nebūtu iedomājami tikai pirms dažām desmitgadēm, taču mūsdienās tie nekad nav pietiekami ātri. Piekļuves ātrums regulāri ir sava veida vājās vietas veiktspēja. Viens no veidiem, kā to novērst, ir kešatmiņa.

Kešatmiņa ir resursa pagaidu kopijas saglabāšanas process, lai tai varētu piekļūt ātrāk, nekā tas varētu būt parasti. Ir milzīgs ieviešanu klāsts gan programmatūrā, gan aparatūrā. Kešatmiņas var darboties kā lasīšanas, rakstīšanas kešatmiņas vai abas.

Lasīt kešatmiņas

Lasīšanas kešatmiņā dati, kas tika pieprasīti iepriekš, tiek saglabāti kešatmiņā ātrākai piekļuvei. Dažos gadījumos kešatmiņā var pat iepriekš ielādēt datus, kas ļauj no kešatmiņas apkalpot pirmo pieprasījumu, nevis tikai nākamos pieprasījumus.

Lasīšanas kešatmiņa, kas jums, visticamāk, ir zināma, ir pārlūkprogrammas kešatmiņa. Šeit pārlūkprogramma saglabā pieprasīto resursu lokālo kopiju. Tas nozīmē, ka tad, ja tīmekļa lapa tiek atkārtoti ielādēta vai tiek ielādēta līdzīga lapa, kas izmanto lielāko daļu tā paša satura, šo saturu var apkalpot no kešatmiņas, nevis tīmekļa servera. Tas ne tikai nozīmē, ka tīmekļa lapu var ielādēt ātrāk, bet arī samazina tīmekļa servera slodzi un samazina lietotājam lejupielādējamo datu apjomu, kas var būt svarīgi skaitītos savienojumos.

Pati RAM darbojas arī kā cietā diska datu lasīšanas kešatmiņa. Šajā gadījumā dati par darbojošos programmu tiek iepriekš ielādēti RAM, lai centrālais procesors varētu tiem piekļūt ātrāk. Pēc tam dati no RAM tiek tālāk saglabāti CPU kešatmiņā, lai gan process ir daudz sarežģītāks, jo CPU kešatmiņa tiek mērīta megabaitos, nevis gigabaitos.

Rakstīt kešatmiņas

Rakstīšanas kešatmiņa ir kešatmiņa, kas var absorbēt datus, kas tiek rakstīti lēnākā ierīcē. Izplatīts piemērs tam būtu SLC kešatmiņa mūsdienu SSD. Šī kešatmiņa neļauj nolasīt datus ātrāk, tomēr rakstīt ir daudz ātrāk, nekā rakstīt TLC vai QLC zibatmiņā, kas veido pārējo SSD. SLC kešatmiņa var absorbēt ātrgaitas rakstīšanas darbības un pēc tam tos pēc iespējas ātrāk izlādēt uz TLC zibatmiņu, kas piedāvā daudz labāku uzglabāšanas blīvumu, taču arī rakstīšana ir daudz lēnāka. Izmantojot zibatmiņu šādā veidā, tā tiek optimizēta gan ātram rakstīšanas ātrumam, gan lielam uzglabāšanas blīvumam.

Hibrīda kešatmiņas

Ir daudzi veidi, kā rīkoties ar kešatmiņu, kas ļauj tām darboties gan kā lasīšanas, gan rakstīšanas kešatmiņa. Katra no šīm metodēm rakstīšanas darbības apstrādā atšķirīgi, un tai ir priekšrocības un trūkumi. Trīs opcijas ir aprakstīšana, pārrakstīšana un atpakaļrakstīšana. Rakstīšanas kešatmiņa pilnībā izlaiž kešatmiņu rakstīšanas laikā, pārrakstīšanas kešatmiņa raksta kešatmiņā, bet uzskata, ka darbība ir pabeigta tikai tad, kad tā ir ierakstīta krātuvē. Atpakaļrakstīšanas kešatmiņa raksta kešatmiņā un pēc tam uzskata, ka darbība ir pabeigta, paļaujoties uz kešatmiņu, lai pārsūtītu to uz krātuvi, ja tas ir nepieciešams.

Aprakstīšana var būt noderīga, ja sagaidāt lielu ierakstu apjomu, jo tas samazina kešatmiņas apmaiņu. Tomēr tas nozīmē, ka darbība, kas pēc tam nolasa kādu no šiem rakstītajiem datiem, pirmo reizi saskarsies ar vismaz vienu kešatmiņas izlaidumu. Pārrakstīšanas kešatmiņas nekavējoties saglabā kešatmiņas rakstīšanas darbības, kas nozīmē, ka rezultātu var apkalpot no kešatmiņas, kad tas pirmo reizi tiek pieprasīts. Lai rakstīšanas operācija tiktu uzskatīta par pabeigtu, arī dati ir jāieraksta diskā, kas palielina latentumu. Atpakaļrakstīšanas kešatmiņai ir tādas pašas priekšrocības kā pārrakstīšanai, kas ļauj nekavējoties apkalpot rakstītos datus no kešatmiņas. Lai rakstītu diskā, nav nepieciešamas rakstīšanas darbības, lai to uzskatītu par pabeigtu. Tas samazina rakstīšanas latentumu, bet rada datu zuduma risku, ja kešatmiņa ir nepastāvīga un tā nepabeidz datu ierakstīšanu atpakaļ krātuvē, pirms tiek zaudēta jauda.

Kā noņemt datus no kešatmiņas?

Viens no jebkuras kešatmiņas ierobežojošajiem faktoriem ir ietilpība. Lielas kešatmiņas meklēšana prasa ilgu laiku, liedzot lielu daļu no kešatmiņas izmantošanas priekšrocībām. Kešatmiņā izmantotās atmiņas tehnoloģijas mēdz būt dārgākas nekā atmiņa, no kuras tās tiek saglabātas. Ja tas tā nebūtu, visticamāk, šis atmiņas līmenis būtu mainījis atmiņas tehnoloģijas, lai uzlabotu veiktspēju. Abi šie faktori nozīmē, ka kešatmiņas mēdz būt salīdzinoši mazas, it īpaši, ja salīdzina ar datu nesēju, no kura tie tiek saglabāti kešatmiņā. RAM ir mazāka ietilpība nekā krātuvei, un CPU kešatmiņai ir mazāka ietilpība nekā RAM. SLC kešatmiņai ir mazāka ietilpība nekā TLC atmiņai.

Tas viss nozīmē, ka bieži vien ir nepieciešams cikliski izņemt datus no kešatmiņas, lai atbrīvotu vietu jauniem datiem, kas jāglabā kešatmiņā. Tam ir dažādas pieejas. “Visretāk izmantotais” dod priekšroku kešatmiņas ierakstu izlikšanai, kuriem ir vismazākais piekļuves skaits. Tas var būt noderīgi, lai prognozētu, kuri ieraksti vismazāk ietekmēs turpmāko kešatmiņas izlaidumu, taču arī ļoti nesen pievienotie ieraksti tiktu uzskatīti par tādiem, kuriem ir mazs piekļuves skaits, kas var izraisīt kešatmiņas apgrūtinājumu.

“Vismazāk lietotie” dod priekšroku kešatmiņas ierakstu izlikšanai, kas kādu laiku nav izmantoti. Tiek pieņemts, ka tie pašlaik netiek izmantoti, taču netiek ņemts vērā, vai tie ir bijuši intensīvi lietoti kādu laiku atpakaļ. “Pēdējais izmantotais” dod priekšroku pēdējo izmantoto kešatmiņas ierakstu izlikšanai, pieņemot, ka tie ir izmantoti un vairs nebūs jāizmanto. Vislabākā pieeja parasti ir visu trīs kombinācija, pamatojoties uz lietošanas statistiku.

Novecojuši informācijas un drošības riski

Galvenais kešatmiņu risks ir tas, ka tajos esošā informācija var kļūt novecojusi. Kešatmiņas ieraksts tiek uzskatīts par novecojušu, ja sākotnējie dati ir atjaunināti, atstājot kešatmiņas ierakstu novecojušu. Ir svarīgi regulāri pārbaudīt, vai tiek rādīta reāllaika kopija joprojām atbilst kešatmiņā saglabātajai kopijai.

Īpaši tīmekļa vietnēs ir ļoti svarīgi arī noteikt, kādus datus var un kurus nevar saglabāt kešatmiņā. Piemēram, ir lieliski piemēroti liela, nemainīga JavaScript faila saglabāšanai kešatmiņā. Tas neļauj lietotājam to katru reizi lejupielādēt, un tas var pat gūt labumu citiem lietotājiem, kurus apkalpo tā pati kešatmiņa. Tomēr jūs nevarat saglabāt kešatmiņā sesijas datus. Iedomājieties, kas notiktu, ja pārlūkotu ziņojumapmaiņas lietotni, kad būtu pierakstījies kā pats, lai uzzinātu, ka jums tiek nosūtīta cita lietotāja ziņojumu kešatmiņā saglabāta versija. Par laimi, tīmekļa serveri var norādīt, kurus resursus var un kurus nevar kešatmiņā, un šīs problēmas parasti ir labi zināmas, tāpēc šādu problēmu ir maz.

Secinājums

Kešatmiņa ir atmiņas daļa, kas var saglabāt dažus nesen izmantotos datus uzglabāšanas metodē, kurai ir ātrāka piekļuve, nekā tas būtu, ja atkal pabeigtu parasto datu piekļuves procesu. Kešatmiņas ietilpība parasti ir ierobežota, kas nozīmē, ka tai ir jāizliek ieraksti, kad tā ir pilna. Kešatmiņas parasti ir lietotājam caurspīdīgas, kas nozīmē, ka latentums ir vienīgā norāde, ka rezultāts tika pasniegts, izmantojot kešatmiņu.