緩存

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什麼是緩存

  緩存就是數據交換的緩衝區(稱作Cache),當某一硬體要讀取數據時,會首先從緩存中查找需要的數據,如果找到了則直接執行,找不到的話則從記憶體中找。由於緩存的運行速度比記憶體快得多,故緩存的作用就是幫助硬體更快地運行。

  因為緩存往往使用的是RAM(斷電即掉的非永久儲存),所以在用完後還是會把文件送到硬碟等存儲器里永久存儲。電腦里最大的緩存就是記憶體條了,最快的是CPU上鑲的L1和L2緩存,顯卡的顯存是給顯卡運算晶元用的緩存,硬碟上也有16M或者32M的緩存。

緩存的特點

  緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器,它先於記憶體與CPU交換數據,因此速率很快。L1 Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存。內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大,不過高速緩衝存儲器均由靜態RAM組成,結構較複雜,在CPU管芯面積不能太大的情況下,L1級高速緩存的容量不可能做得太大。一般L1緩存的容量通常在32—256KB。L2 Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存,分內部和外部兩種晶元。內部的晶元二級緩存運行速率與主頻相同,而外部的二級緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會影響CPU的性能,原則是越大越好,普通台式機CPU的L2緩存一般為128KB到2MB或者更高,筆記本、伺服器和工作站上用CPU的L2高速緩存最高可達1MB-3MB。

  緩存只是記憶體中少部分數據的複製品,所以CPU到緩存中尋找數據時,也會出現找不到的情況(因為這些數據沒有從記憶體複製到緩存中去),這時CPU還是會到記憶體中去找數據,這樣系統的速率就慢下來了,不過CPU會把這些數據複製到緩存中去,以便下一次不要再到記憶體中去取。隨著時間的變化,被訪問得最頻繁的數據不是一成不變的,也就是說,剛纔還不頻繁的數據,此時已經需要被頻繁的訪問,剛纔還是最頻繁的數據,又不頻繁了,所以說緩存中的數據要經常按照一定的演算法來更換,這樣才能保證緩存中的數據是被訪問最頻繁的。

緩存的工作原理

  緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時,首先從CPU緩存中查找,找到就立即讀取並送給CPU處理;沒有找到,就從速率相對較慢的記憶體中讀取並送給CPU處理,同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中,可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行,不必再調用記憶體。正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高(大多數CPU可達90%左右),也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在CPU緩存中,只有大約10%需要從記憶體讀取。這大大節省了CPU直接讀取記憶體的時間,也使CPU讀取數據時基本無需等待。總的來說,CPU讀取數據的順序是先緩存後記憶體。

  RAM(Random-Access Memory)和ROM(Read-Only Memory)相對的,RAM是掉電以後,其中的信息就消失那一種,ROM在掉電以後信息也不會消失那一種。RAM又分兩種,一種是靜態RAM,SRAM(Static RAM);一種是動態RAM,DRAM(Dynamic RAM)。前者的存儲速率要比後者快得多,使用的記憶體一般都是動態RAM。為了增加系統的速率,把緩存擴大就行了,擴的越大,緩存的數據越多,系統就越快了,緩存通常都是靜態RAM,速率是非常的快, 但是靜態RAM集成度低(存儲相同的數據,靜態RAM的體積是動態RAM的6倍), 價格高(同容量的靜態RAM是動態RAM的四倍), 由此可見,擴大靜態RAM作為緩存是一個非常愚蠢的行為, 但是為了提高系統的性能和速率,必須要擴大緩存, 這樣就有了一個折中的方法,不擴大原來的靜態RAM緩存,而是增加一些高速動態RAM做為緩存, 這些高速動態RAM速率要比常規動態RAM快,但比原來的靜態RAM緩存慢, 把原來的靜態RAM緩存叫一級緩存,而把後來增加的動態RAM叫二級緩存。

緩存的作用

預讀取

  當硬碟受到CPU指令控制開始讀取數據時,硬碟上的控制晶元會控制磁頭把正在讀取的簇的下一個或者幾個簇中的數據讀到緩存中(由於硬碟上數據存儲時是比較連續的,所以讀取命中率較高),當需要讀取下一個或者幾個簇中的數據的時候,硬碟則不需要再次讀取數據,直接把緩存中的數據傳輸到記憶體中就可以了,由於緩存的速率遠遠高於磁頭讀寫的速率,所以能夠達到明顯改善性能的目的。

寫入

  當硬碟接到寫入數據的指令之後,並不會馬上將數據寫入到碟片上,而是先暫時存儲在緩存里,然後發送一個“數據已寫入”的信號給系統,這時系統就會認為數據已經寫入,並繼續執行下麵的工作,而硬碟則在空閑(不進行讀取或寫入的時候)時再將緩存中的數據寫入到碟片上。雖然對於寫入數據的性能有一定提升,但也不可避免地帶來了安全隱患——數據還在緩存里的時候突然掉電,那麼這些數據就會丟失。對於這個問題,硬碟廠商們自然也有解決辦法:掉電時,磁頭會藉助慣性將緩存中的數據寫入零磁軌以外的暫存區域,等到下次啟動時再將這些數據寫入目的地。

臨時存儲

  有時候,某些數據是會經常需要訪問的,像硬碟內部的緩存(暫存器的一種)會將讀取比較頻繁的一些數據存儲在緩存中,再次讀取時就可以直接從緩存中直接傳輸。緩存就像是一臺電腦的記憶體一樣,在硬碟讀寫數據時,負責數據的存儲、寄放等功能。這樣一來,不僅可以大大減少數據讀寫的時間以提高硬碟的使用效率。同時利用緩存還可以讓硬碟減少頻繁的讀寫,讓硬碟更加安靜,更加省電。更大的硬碟緩存,你將讀取游戲時更快,拷貝文件時候更快,在系統啟動中更為領先。

  緩存容量的大小不同品牌、不同型號的產品各不相同,早期的硬碟緩存基本都很小,只有幾百KB,已無法滿足用戶的需求。16MB和32MB緩存是現今主流硬碟所採用,而在伺服器或特殊應用領域中還有緩存容量更大的產品,甚至達到了64MB、128MB等。大容量的緩存雖然可以在硬碟進行讀寫工作狀態下,讓更多的數據存儲在緩存中,以提高硬碟的訪問速率,但並不意味著緩存越大就越出眾。緩存的應用存在一個演算法的問題,即便緩存容量很大,而沒有一個高效率的演算法,那將導致應用中緩存數據的命中率偏低,無法有效發揮出大容量緩存的優勢。演算法是和緩存容量相輔相成,大容量的緩存需要更為有效率的演算法,否則性能會大大折扣,從技術角度上說,高容量緩存的演算法是直接影響到硬碟性能發揮的重要因素。更大容量緩存是未來硬碟發展的必然趨勢。

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