Что такое кэш и зачем его чистить

Системный кэш: что это, для чего используется и как изменить его размер в Windows?

Большинство пользователей компьютеров слышали о понятии системного кэша, но только далеко не все четко себе представляют, что это такое и для чего нужно. А многие, до конца не разобравшись, какая роль отводится этому компоненту в операционной системе, сразу пытаются производить с ним действия, касающиеся изменения размера. Насколько целесообразно производить изменение установленных по умолчанию параметров — рассмотрим далее.

Начнем с того, что есть несколько видов кэша. Системный кэш, как уже понятно, используется под нужд Windows, а кэш программ предназначен для корректного функционирования приложений. Чаще всего с понятием кэша пользователи сталкиваются при работе с интернет-браузерами. Но что это такое и для чего нужно? Кэш, вне зависимости от типа, является своеобразным хранилищем временных файлов, за счет использования которых увеличивается скорость загрузки программы или открытие тех же страниц в Интернете. То есть пользователь имеет дело с неким резервируемым на жестком диске пространством, которое используется операционной системой или отдельно взятым приложением. Как увеличить системный кэш или кэш программ, пока не рассматриваем. Для начала давайте определимся, стоит ли это вообще делать? С одной стороны, нет ничего плохого в том, чтобы зарезервировать для хранения временных файлов побольше места на диске. Так думает большинство рядовых пользователей. Но на самом деле кэш можно увеличивать только до определенной степени, поскольку установка слишком большого размера приведет к тому, что системе при выполнении какой-то операции придется перебрать слишком много объектов для загрузки, пока она найдет необходимый. Соответственно, и время запуска программ существенно снизится. Кроме того, следует обратить внимание, что кэш резервируется на жестком диске, а скорость обращения к нему может существенно снижаться, например при возникновении ошибок, фрагментации файлов и т. д.

Что такое кэш

Кэш — это данные, которые компьютер уже получил и использовал один раз, а потом сохранил на будущее. Смысл кэша в том, чтобы в следующий раз взять данные не с далёкого и медленного сервера, а из собственного быстрого кэша. То же самое, что закупиться продуктами на неделю и потом ходить не в магазин, а в холодильник.

В случае с браузером это работает так:

1. Браузер сделал запрос на сервер.
2. Сервер в ответ прислал страницу, скрипты и все картинки.
3. ❤️ Браузер сохранил всё это в память ← это и есть кэш.

Дальше происходит так:

4. Если вкладкой или браузером долго не пользовались, операционная система выгружает из оперативной памяти все страницы, чтобы освободить место для других программ.
5. Если переключиться назад на браузер, он моментально сходит в кэш, возьмёт оттуда загруженную страницу и покажет её на экране.

Получается, что если браузер будет брать из кэша только постоянные данные и скачивать с сервера только что-то новое, то страница будет загружаться гораздо быстрее. Выходит, главная задача браузера — понять, какой «срок годности» у данных в кэше и через какое время их надо запрашивать заново.

? Например, браузер может догадаться, что большая картинка на странице вряд ли будем меняться каждые несколько секунд, поэтому имеет смысл подержать её в кэше и не загружать с сервера при каждом посещении. Поэтому в кэше часто хранятся картинки, видеоролики, звуки и другие декоративные элементы страницы.

? Для сравнения: браузер понимает, что ответ сервера на конкретный запрос пользователя кэшировать не надо — ведь ответы могут очень быстро меняться. Поэтому ответы от сервера браузер не кэширует.

Типы кэша

Кеширование применяется во многих случаях, когда нужно увеличить скорость работы с данными, поэтому реализовать его можно по-разному. Выделяют два способа кэширования:

• Аппаратная реализация;
• Программная реализация.

Рассмотрим эти способы немного подробнее.

Аппаратная реализация

Такой способ кэширования основан на использовании специального устройства памяти для хранения и быстрого извлечения информации.

Например, жесткий диск имеет специальную микросхему в качестве такого хранилища.

Сложную многоступенчатую систему кэширования имеет центральный процессор или мобильные устройства. Естественно, увеличить размер аппаратного кэша нельзя.

Программная реализация

При таком способе кэширования для временного сохранения данных выделяется область на диске, в которой ОС или приложение хранят часто используемые файлы. При каждом запросе пользователя программа сначала обращается за данными к кэшу, и, если эти данные отсутствуют, загружает их из удаленных источников, например, Интернета.

При программном кэшировании размер кэша зависит от размера свободного дискового пространства, а скорость загрузки – от типа носителя.

Программный кэш

Представляет собой директорию на жестком диске компьютера, создаваемую программами для непродолжительного хранения информации. Например, браузер сохраняет страницы, просмотренные пользователем. При повторном переходе по введенному адресу браузер сначала обращается к кеш-памяти, чтобы ускорить загрузку страницы и одновременно уменьшить потребление трафика. Размер папки способен варьироваться от разновидности программного обеспечения.

Программный кэш

Кэш: многоуровневая парковка

Как мы говорили выше, кэш необходим, потому что у нас нет волшебной системы хранения, способной справиться с потреблением данных логических блоков процессора. Современные центральные и графические процессоры содержат множество блоков SRAM, внутри упорядоченных в иерархию — последовательность кэшей, имеющих следующую структуру:

На приведённом выше изображении процессор (CPU) обозначен прямоугольником с пунктирной границей. Слева расположены ALU (arithmetic logic units, арифметико-логические устройства); это структуры, выполняющие математические операции. Хотя строго говоря, они не являются кэшем, ближайший к ALU уровень памяти — это регистры (они упорядочены в регистровый файл).

Каждый из них хранит одно число, например, 64-битное целое число; само значение может быть элементом каких-нибудь данных, кодом определённой инструкции или адресом памяти каких-то других данных.

Регистровый файл в десктопных процессорах довольно мал, например, в каждом из ядер Intel Core i9-9900K есть по два банка таких файлов, а тот, который предназначен для целых чисел, содержит всего 180 64-битных целых чисел. Другой регистровый файл для векторов (небольших массивов чисел) содержит 168 256-битных элементов. То есть общий регистровый файл каждого ядра чуть меньше 7 КБ. Для сравнения: регистровый файл потоковых мультипроцессоров (так в GPU называются аналоги ядер CPU) Nvidia GeForce RTX 2080 Ti имеет размер 256 КБ.

Регистры, как и кэш, являются SRAM, но их скорость не превышает скорость обслуживаемых ими ALU; они передают данные за один тактовый цикл. Но они не предназначены для хранения больших объёмов данных (только одного элемента), поэтому рядом с ними всегда есть более крупные блоки памяти: это кэш первого уровня (Level 1).

Одно ядро процессора Intel Skylake. Источник: Wikichip

На изображении выше представлен увеличенный снимок одного из ядер десктопного процессора Intel Skylake.

ALU и регистровые файлы расположены слева и обведены зелёной рамкой. В верхней части фотографии белым обозначен кэш данных первого уровня (Level 1 Data cache). Он не содержит много информации, всего 32 КБ, но как и регистры, он расположен очень близко к логическим блокам и работает на одной скорости с ними.

Ещё одним белым прямоугольником справа показан кэш инструкций первого уровня (Level 1 Instruction cache), тоже имеющий размер 32 КБ. Как понятно из названия, в нём хранятся различные команды, готовые к разбиению на более мелкие микрооперации (обычно обозначаемые μops), которые должны выполнять ALU. Для них тоже существует кэш, который можно классифицировать как Level 0, потому что он меньше (содержит всего 1 500 операций) и ближе, чем кэши L1.

Вы можете задаться вопросом: почему эти блоки SRAM настолько малы? Почему они не имеют размер в мегабайт? Вместе кэши данных и инструкций занимают почти такую же площадь на чипе, что основные логические блоки, поэтому их увеличение приведёт к повышению общей площади кристалла.

Но основная причина их размера в несколько килобайт заключается в том, что при увеличении ёмкости памяти повышается время, необходимое для поиска и получения данных. Кэшу L1 нужно быть очень быстрым, поэтому необходимо достичь компромисса между размером и скоростью — в лучшем случае для получения данных из этого кэша требуется около 5 тактовых циклов (для значений с плавающей запятой больше).

Кэш L2 процессора Skylake: 256 КБ SRAM

Но если бы это был единственный кэш внутри процессора, то его производительность наткнулась бы на неожиданное препятствие. Именно поэтому в ядра встраивается еще один уровень памяти: кэш Level 2. Это обобщённый блок хранения, содержащий инструкции и данные.

Он всегда больше, чем Level 1: в процессорах AMD Zen 2 он занимает до 512 КБ, чтобы кэши нижнего уровня обеспечивались достаточным объёмом данных. Однако большой размер требует жертв — для поиска и передачи данных из этого кэша требуется примерно в два раза больше времени по сравнению с Level 1.

Во времена первого Intel Pentium кэш Level 2 был отдельным чипом, или устанавливаемым на отдельной небольшой плате (как ОЗУ DIMM), или встроенным в основную материнскую плату. Постепенно он перебрался в корпус самого процессора, и, наконец, полностью интегрировался в кристалл чипа; это произошло в эпоху таких процессоров, как Pentium III и AMD K6-III.

За этим достижением вскоре последовал ещё один уровень кэша, необходимый для поддержки более низких уровней, и появился он как раз вовремя — в эпоху расцвета многоядерных чипов.

Чип Intel Kaby Lake. Источник: Wikichip

На этом изображении чипа Intel Kaby Lake в левой части показаны четыре ядра (интегрированный GPU занимает почти половину кристалла и находится справа). Каждое ядро имеет свой «личный» набор кэшей Level 1 и 2 (выделены белыми и жёлтым прямоугольниками), но у них также есть и третий комплект блоков SRAM.

Кэш третьего уровня (Level 3), хоть и расположен непосредственно рядом с одним ядром, является полностью общим для всех остальных — каждое ядро свободно может получать доступ к содержимому кэша L3 другого ядра. Он намного больше (от 2 до 32 МБ), но и намного медленнее, в среднем более 30 циклов, особенно когда ядру нужно использовать данные, находящиеся в блоке кэша, расположенного на большом расстоянии.

Ниже показано одно ядро архитектуры AMD Zen 2: кэши Level 1 данных и инструкций по 32 КБ (в белых прямоугольниках), кэш Level 2 на 512 КБ (в жёлтых прямоугольниках) и огромный блок кэша L3 на 4 МБ (в красном прямоугольнике).

Увеличенный снимок одного ядра процессора AMD Zen 2. Источник: Fritzchens Fritz

Но постойте: как 32 КБ могут занимать больше физического пространства чем 512 КБ? Если Level 1 хранит так мало данных, почему он непропорционально велик по сравнению с кэшами L2 и L3?

Нужно ли чистить кэш

Иногда кэширование файлов работает некорректно. Из-за этого, например, может загружаться старый контент вместо нового. Зачастую такое случается именно в браузерах. По этой причине кэш необходимо периодически подчищать. Если этого не сделать, то при обновлении данных на сайте (например, при загрузке новых фотографий или изменении стилей) браузер может закачать устаревшую версию контента.

Для его очистки и загрузки актуального содержимого достаточно применить на активной интернет-странице комбинацию Ctrl + F5, после чего она перезагрузится с обновленным наполнением.

Типы кэш-памяти

Мы завершаем руководство о том, что такое кэш-память, объясняя, каковы основные типы этого типа памяти.

Кэш процессора

Кэш процессора является кэшем, используемым процессором компьютера для ускорения операций доступа к основной памяти.

Кэш страницы

Кэш страниц является частью памяти, используемой операционной системой, чтобы скопировать данные использования на жестком диске. Операционная система использует всю оперативную память, которая не выделяется непосредственно другим приложениям, поскольку доступ к этой основной памяти происходит быстрее, чем к жесткому диску.

Дисковый кеш

Дисковый кэш тип похож на оперативную память, которая интегрирована в жесткий диск. Когда он присутствует, он используется для загрузки секторов жесткого диска, смежных с требуемыми, избегая перемещения читающей головки и ускоряя операцию чтения.

Веб-кэш

Веб-кэш является частью жесткого диска, который используют веб-браузеры (Chrome, Edge, Firefox) или прокси-серверs, чтобы сохранить просмотренные интернет-страницы.

Веб-кэш используется для сохранения HTML-кода, изображений и всей информации, необходимой для просмотра интернет-страницы, чтобы сократить время доступа к странице в случае, если пользователь захочет просмотреть её снова. Когда пользователь повторно заходит на такую страницу, нет необходимости запрашивать весь код с веб-сервера, на котором размещена страница, поскольку большая часть информация уже будет храниться в веб-кэше.