Pamięć podręczna - Polski Serwis Naukowy

przekierowanie z „cache”. Zapoznaj się również z: inne znaczenia tej nazwy.

Pamięć podręczna (ang. cache) – mechanizm, w którym część spośród danych zgromadzonych w źródłach o długim czasie dostępu i niższej przepustowości jest dodatkowo przechowywana w pamięci o lepszych parametrach. Ma to na celu poprawę szybkości dostępu do tych informacji, które przypuszczalnie będą potrzebne w najbliższej przyszłości.

XHTML (ang. Extensible HyperText Markup Language, rozszerzalny język znaczników hipertekstowych) – język służący do tworzenia stron WWW ogólnego przeznaczenia. Specyfikacje XHTML przygotowuje organizacja W3C.

Pamięć podręczna procesora (ang. CPU cache) - jest pamięcią typu SRAM (pamięć statyczna) o krótkim czasie dostępu. Zlokalizowana jest często bezpośrednio w jądrze procesora. Zastosowanie wielopoziomowej hierarchii pamięci podręcznej pozwala, korzystając z zasady lokalności przestrzennej i czasowej na zapewnienie złudzenia posiadania szybkiej i pojemnej pamięci głównej, a więc zmniejsza średni czas dostępu do pamięci głównej.

Pamięć podręczna jest elementem właściwie wszystkich systemów – współczesny procesor ma 2 albo 3 poziomy pamięci podręcznej oddzielającej go od pamięci RAM. Dostęp do dysku jest buforowany w pamięci RAM, a dokumenty HTTP są buforowane przez pośredniki HTTP oraz przez przeglądarkę.

Stronicowanie jest jednym ze sposobów rozwiązania problemu zewnętrznej fragmentacji polegającym na dopuszczeniu nieciągłości logicznej przestrzeni adresowej procesu. Zostało użyte przez polskiego inżyniera Jacka Karpińskiego w architekturze komputera K-202.

Asembler (z (ang.) assembler) – termin informatyczny związany z programowaniem i tworzeniem kodu maszynowego dla procesorów. W języku polskim oznacza on program tworzący kod maszynowy na podstawie kodu źródłowego (tzw. asemblacja) wykonanego w niskopoziomowym języku programowania bazującym na podstawowych operacjach procesora zwanym językiem asemblera, popularnie nazywanym również asemblerem. W tym artykule język programowania nazywany będzie językiem asemblera, a program tłumaczący – asemblerem.

Systemy te są tak wydajne dzięki lokalności odwołań – jeśli nastąpiło odwołanie do pewnych danych, jest duża szansa, że w najbliższej przyszłości będą one potrzebne ponownie. Niektóre systemy pamięci podręcznej próbują przewidywać, które dane będą potrzebne i pobierają je wyprzedzając żądania. Np. pamięć podręczna procesora pobiera dane w pakietach po kilkadziesiąt czy też więcej bajtów, pamięć podręczna dysku zaś nawet do kolejnych kilkuset kilobajtów czytanego właśnie pliku.

HTML (ang. HyperText Markup Language, pol. język znaczników hipertekstu) – dominujący język wykorzystywany do tworzenia stron internetowych. Pozwala opisać strukturę informacji zawartych w dokumencie nadając znaczenie poszczególnym fragmentom tekstu (formując linki, nagłówki, akapity, listy, itp.) oraz osadzić w tekście dodatkowe obiekty np. statyczne grafiki, interaktywne formularze, dynamiczne animacje. W składni języka HTML wykorzystuje się znaczniki opatrzone z obu stron nawiasami ostrokątnymi.

Płyta główna (ang. motherboard, mainboard) – najważniejsza płyta drukowana urządzenia elektronicznego, na której montuje się najważniejsze elementy urządzenia, umożliwiająca komunikację wszystkim pozostałym komponentom i modułom.

Niektóre systemy pamięci podręcznej umożliwiają informowanie systemu na temat charakteru danych by umożliwiać bardziej efektywne buforowanie. Służy temu np. wywołanie systemowe madvise.

Zasady projektowania pamięci podręcznej

Część systemu komputerowego zajmująca się buforowaniem danych powinna charakteryzować się następującymi właściwościami:

powinna być jak najbardziej automatyczna

jej działanie nie powinno wpływać na semantykę pozostałych części systemu

powinna w jak największym stopniu poprawiać wydajność systemu w warunkach rzeczywistej pracy

Projektując pamięć podręczną rozpatruje się pewne typowe warunki, w jakich będzie ona wykorzystywana. Program korzystający z pamięci podręcznej ma więcej informacji na temat użycia pamięci w najbliższym czasie, i wydajność systemu można polepszyć jeśli zrezygnuje się z pełnej automatyzacji a pozwoli na dawanie pamięci podręcznej sugestii co do właściwego zachowania w danej sytuacji. W ten sposób działa m.in. wywołanie systemowe madvise, specjalne instrukcje asemblera na niektórych procesorach, nagłówki kontroli pamięci podręcznej w HTTP; wiele systemów zarządzania bazami danych pozwala też na przekazywanie kontrolerowi pamięci sugestii.

Pośrednik HTTP (ang. HTTP proxy) - to program, który pośredniczy między przeglądarką WWW a serwerami, na których znajduje się dany materiał (zazwyczaj strona internetowa).

Pamięć masowa (ang. mass memory, mass storage) – pamięć trwała, przeznaczona do długotrwałego przechowywania dużej ilości danych, w przeciwieństwie do pamięci operacyjnej. Pamięć masowa zapisywana jest na zewnętrznych nośnikach informacji. Nośniki informacji zapisywane i odczytywane są w urządzeniach zwanych napędami.

Zadanie pamięci podręcznej można wyrazić w następujący sposób: mamy duży zbiór obiektów w powolnej pamięci, i niewielką ilość szybkiej pamięci, w której na pewno nie pomieszczą się wszystkie obiekty. Ciągle napływają żądania dostępu do obiektów, a pamięć podręczna musi je wszystkie spełnić w jak najmniejszym stopniu korzystając z pamięci powolnej.

Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit) – urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

Przeglądarka internetowa – program komputerowy, służący do pobierania i wyświetlania zawartości dokumentów z serwerów internetowych, a także odtwarzania plików multimedialnych (czasem za pomocą różnych wtyczek).

Temperatura danych

Przy rozpatrywaniu systemu pamięci podręcznej przydatne jest pojęcie "temperatury" – czyli prawdopodobieństwa, że w najbliższym czasie wpłynie żądanie dostępu do tego obiektu (jeśli obiekt jest duży, temperatura poszczególnych części może się różnić). Jest oczywiste, że powinniśmy w szybkiej pamięci trzymać obiekty o możliwie wysokiej temperaturze. Jednak temperatura obiektu nie jest znana, i musimy jakoś ją oszacować. Typowe heurystyki to:

Heurystyka (gr. heuresis – odnaleźć, odkryć, heureka – znalazłem) - w informatyce metoda znajdowania rozwiązań, dla której nie ma gwarancji znalezienia rozwiązania optymalnego, a często nawet prawidłowego. Rozwiązań tych używa się np. wtedy, gdy pełny algorytm jest z przyczyn technicznych zbyt kosztowny, lub gdy jest nieznany (np. przy przewidywaniu pogody lub przy wykrywaniu niektórych zagrożeń komputerowych, takich jak wirusy lub robaki). Metody używa się też często do znajdowania rozwiązań przybliżonych, na podstawie których później wylicza się ostateczny rezultat pełnym algorytmem. To ostatnie zastosowanie szczególnie dotyczy przypadków, gdy heurystyka jest wykorzystywana do nakierowywania pełnego algorytmu ku optymalnemu rozwiązaniu, aby zmniejszyć czas działania programu w typowym przypadku bez poświęcania jakości rozwiązania (np. algorytm A*).

Kilobajt (KB, rzadziej kB, ang. Kbyte, kbyte, kilobyte ) – jednostka używana w informatyce do określenia ilości informacji lub wielkości pamięci. W przeciwieństwie do innych dziedzin nauki, w informatyce przedrostek kilo oznacza nie krotność 103, tylko 210:

lokalność czasowa – jeśli obiekt był ostatnio żądany, to jest duże prawdopodobieństwo, że będzie żądany ponownie w najbliższym czasie

lokalność przestrzenna – jeśli obiekt był ostatnio żądany, to prawdopodobnie będą też żądane obiekty leżące blisko niego. Położenie w wypadku pamięci komputera oznacza zwykle adres maszynowy. W przypadku plików na stronie internetowej, pliki linkujące do siebie leżą blisko siebie.

o niektórych typach obiektów wiemy, że ich średnia temperatura jest wyższa niż innych typów – np. temperatura pliku (z grubsza proporcjonalna do liczby ściągnięć) xhtml/html na stronie internetowej jest zazwyczaj wyższa niż temperatura pliku pdf.

Żeby zmaksymalizować średnią temperaturę układu pamięci podręcznej, należałoby operować na poziomie jak najmniejszych jednostek, np. kilku bajtów. Byłoby to jednak bardzo niepraktyczne (obiekty zwykle są większe), więc używa się większych jednostek – np. w DBMS kilkudziesięciokilobajtowych stron. Strona taka może zawierać wiele obiektów. W miarę możliwości powinno się tak projektować strony, aby obiekty na jednej stronie miały podobną i skorelowaną temperaturę.

System zarządzania bazą danych, SZBD (ang. Database Management System, DBMS) nazywany też serwerem baz danych, SBD to oprogramowanie bądź system informatyczny służący do zarządzania komputerowymi bazami danych. Systemy baz danych mogą być sieciowymi serwerami baz danych lub udostępniać bazę danych lokalnie.

PDF (ang. Portable Document Format, przenośny format dokumentu) – format plików służący do prezentacji, przenoszenia i drukowania treści tekstowo-graficznych, stworzony i promowany przez firmę Adobe Systems. Język opisu pliku PDF jest okrojoną wersją języka programowania PostScript wzbogaconą o elementy hipertekstowe.

Jeśli na każdej stronie znajdowałyby się zarówno obiekty gorące jak i chłodne, niemożliwe byłoby uzyskanie wysokiej temperatury układu pamięci podręcznej. Jeśli natomiast niektóre strony będą znacznie cieplejsze od innych, układ pamięci podręcznej może zawierać te pierwsze i osiągnąć wyższą temperaturę. Na przykład w typowym drzewie indeksowym obiekty są relatywnie chłodne, natomiast wskaźniki są znacznie gorętsze. Tak więc trzymanie danych tylko na liściach pozwala na znacznie lepszą separację niż gdyby trzymać je na każdym węźle.

Korelacja (łac. śr. correlation-, correlatio, od com-, „razem, łącznie”; i relation-, relatio, „związek, relacja”) – współzależność, wzajemny związek; wyraz ten oznacza zwykle jedno z następujących pojęć:

madvise to wywołanie systemowe mające na celu poinformowanie systemu pamięci wirtualnej systemu operacyjnego o planowanym sposobie użycia danego obszaru pamięci (szczególnie pamięci mmapowanej lub dzielonej), tak żeby miał on możliwość użycia bardziej wydajnych algorytmów pamięci wirtualnej.

W miarę możliwości powinno się trzymać na stronie obiekty o skorelowanej temperaturze, np. strony pamięci wirtualnej procesora zawierają leżące po kolei bajty, które ze względu na lokalność przestrzenną mają prawdopodobnie skorelowane temperatury. Z tego też powodu używa się osobnych linii pamięci podręcznej dla danych i dla kodu.

RAM (ang. Random Access Memory – pamięć o dostępie swobodnym) – podstawowy rodzaj pamięci cyfrowej. Choć nazwa sugeruje, że oznacza to każdą pamięć o bezpośrednim dostępie do dowolnej komórki pamięci (w przeciwieństwie do pamięci o dostępie sekwencyjnym, np. rejestrów przesuwających), nazwa ta ze względów historycznych oznacza tylko te rodzaje pamięci o bezpośrednim dostępie, w których możliwy jest wielokrotny zapis, a wyklucza pamięci ROM (tylko do odczytu), pomimo iż w ich przypadku również występuje swobodny dostęp do zawartości.

Liść – węzeł (element) drzewa, który nie posiada potomków. Często liśćmi są węzły najbardziej oddalone od korzenia. Rozpatrując drzewiastą strukturę danych jako graf drzewiasty można powiedzieć, że liście to wierzchołki o stopniu 1, które nie są korzeniem (wyjątkiem jest tu drzewo złożone tylko z korzenia, wówczas jest on także liściem).Węzeł nie będący liściem nazywany jest węzłem wewnętrznym.

Przykłady pamięci podręcznej

Pamięć podręczna procesora

Osobny artykuł: Pamięć podręczna procesora.

Pamięć podręczna przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM. Charakteryzuje się bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Na współczesnych procesorach są 2 lub 3 poziomy pamięci podręcznej L1 (zintegrowana z procesorem), a także L2 i L3 (umieszczone w jednym chipie razem z procesorem, lub na płycie głównej).

Megabajt (skrót MB, formalnie: mebibajt skrót MiB) – jednostka używana w informatyce oznaczająca ~ milion (dokładnie: 1 048 576 ~ 1 000 000 = 106 bajtów). Jednostka wykorzystywana do określania pojemności pamięci różnych urządzeń: komputerów, stacji dysków, Pendrive, a także nośników pamięci (dysków, płyt CD).

Definicja intuicyjna: Pamięć wirtualna zapewnia wykonywanym na komputerze procesom wrażenie posiadania własnej pamięci RAM, niezależnej od innych procesów. Ułatwia to tworzenie aplikacji, a także sztuczne zwiększenie ilości dostępnej pamięci poprzez wykorzystanie części dysku twardego do tego celu.

Pamięć podręczna dysku twardego

Pamięć podręczna dysku twardego przyspiesza dostęp do bardzo wolnej pamięci masowej (w porównaniu do pamięci RAM, do której dane są pobierane). Pamięć podręczna o wielkości od 128 KB do 64 MB jest zazwyczaj podzielony na dwie części: obszar podsystemu odpowiedzialnego za odczyt z wyprzedzeniem i buforowanie odczytu oraz mniejszy obszar opóźnionego zapisu. Dysk z kontrolerem komunikuje się magistralą szybszą niż najszybsze budowane dyski twarde – daje to możliwość przechowania danych w buforze i wysłania do kontrolera bez wykonywania cyklu dostępu do nośnika oraz wpływa pozytywnie na szybkość całego systemu.

Dysk twardy – jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nazwa "dysk twardy" (hard disk drive) powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od tzw. "dysków miękkich", czyli dyskietek (floppy disk), w których nośnik magnetyczny naniesiono na elastyczne podłoże, a nie jak w dysku twardym na sztywne.

HTTP (ang. Hypertext Transfer Protocol – protokół przesyłania dokumentów hipertekstowych) to protokół sieci WWW (ang. World Wide Web). Obecną definicję HTTP stanowi RFC 2616. Za pomocą protokołu HTTP przesyła się żądania udostępnienia dokumentów WWW i informacje o kliknięciu odnośnika oraz informacje z formularzy. Zadaniem stron WWW jest publikowanie informacji – natomiast protokół HTTP właśnie to umożliwia.

Pamięć podręczna systemu plików

Oprócz pamięci podręcznej dysku twardego, system operacyjny zarządza umieszczaniem zawartości plików w pamięci podręcznej oraz metadatnych (jak katalogi, nazwy plików, itp) w pamięci operacyjnej (RAM), w ten sposób zmniejszając użycie dysku zarówno podczas odczytu tych samych danych, jak i zapisu. Taka pamięć podręczna ma zwykle od kilku megabajtów do kilku gigabajtów, a jej rozmiar i zawartość jest regulowana dynamicznie w zależności od sposobu użycia systemu. Niektóre systemy plików potrafią również użyć np. lokalnego dysku jako pamięci podręcznej danych z sieciowego systemu plików, czy też szybszego dysku SSD jako pamięci podręcznej danych odczytywanych z powolnego dysku magnetycznego.

Pamięć podręczna przeglądarki

Pamięć podręczna przeglądarki oznacza miejsce na dysku twardym, w którym przeglądarka internetowa przechowuje odwiedzone uprzednio strony (lub części stron) WWW. Ma to na celu przyspieszenie przeglądania stron internetowych, gdyż nie ma potrzeby ściągania odwiedzonych już stron z Internetu.

Zobacz hasło cache w Wikisłowniku