Cache

Ein Cache ist ein Zwischenspeicher, der das schnellere Zugreifen auf Daten ermöglicht, die häufig oder kurzfristig abgerufen werden.

Definition

Der "Cache-Speicher" ist ein Zwischenspeicher, der schnellere Zugriffszeiten auf Informationen ermöglicht. Er verringert die Anzahl notwendiger Zugriffe auf ein langsameres Speichermedium. Dieser Prozess des Speicherns läuft in den meisten Fällen im Hintergrund ab und User nehmen ihn nicht wahr. Der Cache kann als Hardware oder als Software-Funktion realisiert sein.

Ein Hardware-Cache greift zügiger auf Daten zu als Speicher, auf denen die Daten langfristig gespeichert sind. Software-Caches verfügen nicht über eigene Hardware-Speicherbausteine, sondern nutzen Möglichkeiten zur Speicherung, die sich bereits auf dem System befinden.

Ein Beispiel: ist der Cache des Webbrowsers, in dem zum Beispiel schon von einem Server abgerufene Daten wie Bilder zwischengespeichert werden.

Zu den typischen Anwendungen eines Cache-Speichers zählen Prozessoren, Festplattenspeicher oder Webbrowser. Wie effizient ein Cache arbeitet hängt davon ab, wie gut er es schafft, die benötigten Daten wirklich vorzuhalten. Weil die Größe limitiert ausfällt, bedarf es intelligenter Speicherverwaltungs- sowie Speicherverdrängungsmethoden - zum Beispiel Most Recently Used (MRU), Least Frequently Used (LFU) oder Least Recently Used (LRU).

Was ist das Ziel eines Cache Speichers?

Die Ziele eines Cache-Speichers sind:

• Reduzierung der Zugriffszeiten auf oft benötigte Daten

• Verringerung der Anzahl von Zugriffen auf das Primärmedium

• Entlastung von Schnittstellen und Bussystemen

• Reduzierung der Netzwerklast

• Minimierung von Übertragungsfehlern

• Steigerung der Ausführungszeit von Anwendungen

Arten von Cache Memory

Cache-Speicher wird in sogenannten Ebenen - oder auch Levels - kategorisiert. Diese beschreiben, wie nah und zugänglich er zum Mikroprozessor ist. Man unterscheidet unter drei allgemeinen Cache-Ebenen:

Der L1-Cache (auch primäre Cache genannt) agiert sehr schnell, ist jedoch relativ klein und wird normalerweise als CPU-Cache in den Prozessor-Chip eingebettet.

Der L2-Cache (sekundäre Cache) ist häufig umfangreicher als der L1-Cache. Der L2-Cache kann in die CPU eingebettet sein, oder sich auf einem separaten Chip oder Ko-Prozessor befinden und über einen alternativen Hochgeschwindigkeits-Systembus verfügen, der den Cache und die CPU verbindet. dadurch bremst ihn der Verkehr auf dem Hauptsystembus nicht.

Der L3-Cache ist ein spezialisierter Arbeitsspeicher, der die Leistung von L1 und L2 verbessern soll. L1 oder L2 können erheblich schneller sein als L3, auch wenn L3 im Normalfall doppelt so schnell wie DRAM ist. Bei Mehrkernprozessoren kann jeder Kern (Core) über einen dedizierten L1- und L2-Cache verfügen, allerdings können sie sich einen L3-Cache teilen. Verweist ein L3-Cache auf eine Anweisung, wird er im Regelfall auf eine höhere Cache-Ebene angehoben.

Während in der Vergangenheit L1-, L2- und L3-Caches mit kombinierten Prozessor- und Mainboard-Komponenten erstellt wurden, geht der Trend mittlerweile dahin, alle drei Ebenen des Memory-Cachings auf der CPU selbst zu konsolidieren. Deshalb hat sich die Hauptmethode zur Erhöhung der Cache-Größe von der Anschaffung einer bestimmten Hauptplatine mit verschiedenen Chipsätzen und Busarchitekturen auf die Anschaffung einer CPU mit der richtigen Menge an integriertem L1-, L2- und L3-Cache verlagert.

Entgegen der gängigen Meinung wird die Implementierung von Flash oder mehr dynamischem RAM (DRAM) in einem System den Cache-Speicher nicht erhöhen. Das kann zu Verwirrung führen, weil die Begriffe Memory Caching (Festplattenpufferung) und Cache Memory häufig synonym genannt werden.

Warum sollte man den Cache regelmäßig leeren?

Ein überfüllter Cache kann wertvollen Speicherplatz auf deinem Endgerät beanspruchen. Besonders auf Smartphones oder Computern mit begrenztem Speicher kann dies zu Problemen führen. Mit einem leeren Cache schaffst du Platz für andere wichtige Daten und verbesserst die Gesamtleistung deines Geräts.

Veraltete Inhalte aktualisieren

Manchmal zeigt eine Webseite veraltete Informationen an, obwohl sie bereits aktualisiert wurde. Das liegt daran, dass der Browser weiterhin auf zwischengespeicherte Daten zugreift, anstatt die neuesten Inhalte vom Server abzurufen. Durch das Leeren des Caches zwingst du den Browser, die aktuelle Version der Webseite zu laden.

Probleme mit Webseiten beheben

Ein voller oder beschädigter Cache kann dazu führen, dass Webseiten nicht korrekt geladen oder fehlerhaft angezeigt werden. Elemente wie Bilder oder Buttons könnten fehlen, oder die Seite könnte unvollständig erscheinen. Das Leeren des Caches löst solche Probleme oft schnell und unkompliziert.

Verbesserung der Geschwindigkeit

Obwohl der Cache ursprünglich dazu dient, Prozesse zu beschleunigen, kann ein überfüllter Cache das Gegenteil bewirken. Wenn zu viele Daten gespeichert sind, benötigt dein Browser mehr Zeit, um diese zu durchsuchen und abzurufen. Ein leerer Cache sorgt dafür, dass dein System wieder effizienter arbeitet.

Datenschutz erhöhen

Im Cache werden auch Informationen über besuchte Webseiten gespeichert. Dies kann ein potenzielles Risiko für deine Privatsphäre darstellen, insbesondere wenn mehrere Personen dasselbe Gerät nutzen. Durch das regelmäßige Löschen des Caches entfernst du solch sensible Daten und schützt deine Privatsphäre.

Fazit

Der Cache ermöglicht schnelleren Zugriff auf Daten, die du regelmäßig abrufst.

Demnach lohnt sich der Einsatz von Caches vor allem da, wo sich die Zugriffszeit auch erheblich auf die Gesamtleistung auswirkt. Das ist etwa beim Prozessorcache der meisten (skalaren) Mikroprozessoren der Fall, während es auf Vektorrechner nicht zutrifft, bei denen die Zugriffszeit eine untergeordnete Rolle spielt. Daher verzichtet man dort in der Regel auf Caches, da sie nicht oder nur wenig nützlich sind.