缓存

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什么是缓存

  缓存就是数据交换的缓冲区(称作Cache),当某一硬件要读取数据时,会首先从缓存中查找需要的数据,如果找到了则直接执行,找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多,故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。

  因为缓存往往使用的是RAM(断电即掉的非永久储存),所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了,最快的是CPU上镶的L1和L2缓存,显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存,硬盘上也有16M或者32M的缓存。

缓存的特点

  缓存是指可以进行高速数据交换的存储器,它先于内存与CPU交换数据,因此速率很快。L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大,不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般L1缓存的容量通常在32—256KB。L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存,分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速率与主频相同,而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好,普通台式机CPU的L2缓存一般为128KB到2MB或者更高,笔记本、服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存最高可达1MB-3MB。

  缓存只是内存中少部分数据的复制品,所以CPU到缓存中寻找数据时,也会出现找不到的情况(因为这些数据没有从内存复制到缓存中去),这时CPU还是会到内存中去找数据,这样系统的速率就慢下来了,不过CPU会把这些数据复制到缓存中去,以便下一次不要再到内存中去取。随着时间的变化,被访问得最频繁的数据不是一成不变的,也就是说,刚才还不频繁的数据,此时已经需要被频繁的访问,刚才还是最频繁的数据,又不频繁了,所以说缓存中的数据要经常按照一定的算法来更换,这样才能保证缓存中的数据是被访问最频繁的。

缓存的工作原理

  缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时,首先从CPU缓存中查找,找到就立即读取并送给CPU处理;没有找到,就从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在CPU缓存中,只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间,也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。

  RAM(Random-Access Memory)和ROM(Read-Only Memory)相对的,RAM是掉电以后,其中的信息就消失那一种,ROM在掉电以后信息也不会消失那一种。RAM又分两种,一种是静态RAM,SRAM(Static RAM);一种是动态RAM,DRAM(Dynamic RAM)。前者的存储速率要比后者快得多,使用的内存一般都是动态RAM。为了增加系统的速率,把缓存扩大就行了,扩的越大,缓存的数据越多,系统就越快了,缓存通常都是静态RAM,速率是非常的快, 但是静态RAM集成度低(存储相同的数据,静态RAM的体积是动态RAM的6倍), 价格高(同容量的静态RAM是动态RAM的四倍), 由此可见,扩大静态RAM作为缓存是一个非常愚蠢的行为, 但是为了提高系统的性能和速率,必须要扩大缓存, 这样就有了一个折中的方法,不扩大原来的静态RAM缓存,而是增加一些高速动态RAM做为缓存, 这些高速动态RAM速率要比常规动态RAM快,但比原来的静态RAM缓存慢, 把原来的静态RAM缓存叫一级缓存,而把后来增加的动态RAM叫二级缓存。

缓存的作用

预读取

  当硬盘受到CPU指令控制开始读取数据时,硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者几个簇中的数据读到缓存中(由于硬盘上数据存储时是比较连续的,所以读取命中率较高),当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候,硬盘则不需要再次读取数据,直接把缓存中的数据传输到内存中就可以了,由于缓存的速率远远高于磁头读写的速率,所以能够达到明显改善性能的目的。

写入

  当硬盘接到写入数据的指令之后,并不会马上将数据写入到盘片上,而是先暂时存储在缓存里,然后发送一个“数据已写入”的信号给系统,这时系统就会认为数据已经写入,并继续执行下面的工作,而硬盘则在空闲(不进行读取或写入的时候)时再将缓存中的数据写入到盘片上。虽然对于写入数据的性能有一定提升,但也不可避免地带来了安全隐患——数据还在缓存里的时候突然掉电,那么这些数据就会丢失。对于这个问题,硬盘厂商们自然也有解决办法:掉电时,磁头会借助惯性将缓存中的数据写入零磁道以外的暂存区域,等到下次启动时再将这些数据写入目的地。

临时存储

  有时候,某些数据是会经常需要访问的,像硬盘内部的缓存(暂存器的一种)会将读取比较频繁的一些数据存储在缓存中,再次读取时就可以直接从缓存中直接传输。缓存就像是一台计算机的内存一样,在硬盘读写数据时,负责数据的存储、寄放等功能。这样一来,不仅可以大大减少数据读写的时间以提高硬盘的使用效率。同时利用缓存还可以让硬盘减少频繁的读写,让硬盘更加安静,更加省电。更大的硬盘缓存,你将读取游戏时更快,拷贝文件时候更快,在系统启动中更为领先。

  缓存容量的大小不同品牌、不同型号的产品各不相同,早期的硬盘缓存基本都很小,只有几百KB,已无法满足用户的需求。16MB和32MB缓存是现今主流硬盘所采用,而在服务器或特殊应用领域中还有缓存容量更大的产品,甚至达到了64MB、128MB等。大容量的缓存虽然可以在硬盘进行读写工作状态下,让更多的数据存储在缓存中,以提高硬盘的访问速率,但并不意味着缓存越大就越出众。缓存的应用存在一个算法的问题,即便缓存容量很大,而没有一个高效率的算法,那将导致应用中缓存数据的命中率偏低,无法有效发挥出大容量缓存的优势。算法是和缓存容量相辅相成,大容量的缓存需要更为有效率的算法,否则性能会大大折扣,从技术角度上说,高容量缓存的算法是直接影响到硬盘性能发挥的重要因素。更大容量缓存是未来硬盘发展的必然趋势。

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