Čo je zdieľaná pamäť?

Moderné počítače majú veľa pamäte. Každý procesor má svoju vyrovnávaciu pamäť a každému spustenému programu je priradená časť systémovej pamäte RAM. Existuje mnoho rôznych spôsobov, ako túto pamäť použiť a priradiť. Zdieľaná pamäť je koncept, ktorý rôznymi spôsobmi ovplyvňuje vyrovnávaciu pamäť CPU aj využitie systémovej pamäte RAM.

Zdieľaná pamäť v hardvéri

Väčšina moderných CPU má tri úrovne vyrovnávacej pamäte, označované ako L1, L2 a L3. L1 je najmenšia a najrýchlejšia vyrovnávacia pamäť, zatiaľ čo L3 je najväčšia a najpomalšia. Všetky z nich sú však rýchlejšie ako prístup k hlavnej pamäti, vďaka čomu je rýchlosť prístupu kritická pre výkon. Mnoho faktorov robí vyrovnávaciu pamäť L1 rýchlejšou ako L3. Po prvé, pamäťové bunky L1 sú fyzicky väčšie. Je ich tiež menej a sú umiestnené oveľa bližšie k jadru CPU, často v ňom.

Umiestnenie bloku vyrovnávacej pamäte do oblasti matrice jadra je na viacjadrových procesoroch mimoriadne zložité. V tomto bode si môžete vybrať, či chcete mať vyrovnávaciu pamäť v každom jadre alebo mimo jadier, konkrétne medzi nimi. Každá má svoje výhody a nevýhody.

Umiestnenie vyrovnávacej pamäte do jadra minimalizuje latenciu prístupu, ale tiež to znamená, že každé jadro potrebuje svoju vyrovnávaciu pamäť. To znamená, že môžete skončiť s duplicitnými riadkami vyrovnávacej pamäte v vyrovnávacích pamätiach L1 rôznych jadier, čím sa zníži efektívnosť vyrovnávacieho priestoru. Toto sa nazýva lokálna vyrovnávacia pamäť a hoci je to skvelé pre čas prístupu, je menej efektívne pri využívaní priestoru vyrovnávacej pamäte a vyžaduje si dodatočnú réžiu z hľadiska súdržnosti vyrovnávacej pamäte.

Zdieľaná vyrovnávacia pamäť je vyrovnávacia pamäť, ktorá je dostupná pre viaceré alebo všetky jadrá vo viacjadrovom CPU. Zdieľaná vyrovnávacia pamäť znamená, že viacero jadier môže pristupovať k jednej inštancii konkrétnych údajov, čím sa obmedzuje plytvanie priestorom v dôsledku duplikácie. Znamená to tiež, že jedno jadro si môže dočasne nárokovať viac, ako je jeho spravodlivý podiel na vyrovnávacej pamäti, ak to potrebuje, zatiaľ čo ostatné jadrá nie. Je to za cenu zvýšeného času prístupu.

Zdieľané vyrovnávacie pamäte v praxi

Moderné CPU používajú oba koncepty, pričom každé jadro má lokálnu vyrovnávaciu pamäť L1. Cache L3 má tendenciu byť zdieľaná medzi mnohými jadrami, hoci niekedy nie všetkými. L2 sa líši, ale môže byť lokálna alebo zdieľaná v závislosti od špecifickej architektúry generovania CPU.

Tip: Pri čipletových procesoroch, ako sú špičkové modely AMD Ryzen, môžu byť vyrovnávacie pamäte zdieľané medzi všetkými jadrami na čiplete, a nie so všetkými jadrami v celom CPU. Nezáleží na tom, koľko jadier je medzipamäť zdieľaná; aj keď sú to len dve, stále je to zdieľaná vyrovnávacia pamäť, aj keď stojí za to zdôrazniť, že je zdieľaná len čiastočne.

Poznámka: Systémovú pamäť RAM možno zdieľať aj medzi viacerými fyzickými CPU na jednej základnej doske alebo medzi uzlami v systéme s viacerými CPU.

Zdieľaná pamäť v softvéri

V moderných počítačoch softvér nedokáže adresovať fyzickú pamäť priamo. Namiesto toho je mu priradený segment virtuálnej adresy a počítač podľa potreby prekladá tieto virtuálne adresy na fyzické adresy. To pomáha izolovať pamäť pre jednotlivé procesy, čo je užitočné pre bezpečnosť.

V niektorých prípadoch môže byť žiaduce preniesť dáta v pamäti z jedného procesu do druhého. Najúčinnejším spôsobom, ako to dosiahnuť, je umožniť dvom procesom zdieľať pamäťový priestor. Týmto spôsobom môžu oba procesy čítať rovnaké údaje a navzájom komunikovať. Pomáha to tiež efektívne využívať systémovú pamäť RAM, pretože údaje nie sú duplikované.

Softvérovo zdieľaná pamäť sa zvyčajne dosiahne uchovávaním jednej fyzickej kópie údajov a mapovaním prístupu k nej prostredníctvom virtuálnej pamäte pre každý proces, ktorý k nej potrebuje prístup.

Záver

Zdieľaná pamäť je koncept jednej časti pamäte dostupnej pre viacero vecí. Toto je možné implementovať hardvérovo aj softvérovo. Cache CPU môže byť zdieľaná medzi viacerými jadrami procesora. To platí najmä pre vyššie úrovne vyrovnávacej pamäte CPU. Systémová pamäť môže byť tiež zdieľaná medzi rôznymi fyzickými CPU v jednom väčšom systéme.

V softvéri môže zdieľaná pamäť umožniť medziprocesovú komunikáciu IPC. Jeden proces alokuje pamäť ako zdieľanú s jedným alebo viacerými špecifickými procesmi. Tieto ostatné procesy potom môžu pristupovať k tomuto miestu pamäte prostredníctvom mapovania virtuálnej pamäte. Zdieľaná pamäť pomáha zabezpečiť efektívne využitie pamäťového priestoru tým, že zabraňuje duplicite údajov v obmedzenom priestore.