Che cos'è la cache?

La cache è un livello di archiviazione dati ad alta velocità che conserva temporaneamente le informazioni a cui si accede di frequente per rendere più rapide le richieste future.

Cosa intendi per cache?

La cache è un file temporaneo ad alta velocità memorizzazione dei dati meccanismo progettato per migliorare l'efficienza e le prestazioni dei sistemi informatici. Funziona memorizzando copie dei dati a cui si accede frequentemente in una posizione che può essere recuperata più rapidamente rispetto alla fonte originale, come la memoria principale, un banca dati, o un telecomando server.

Mantenendo questi dati vicini al processore or applicazione, la cache riduce il tempo necessario per completare le richieste ripetitive, minimizza latenzae riduce il carico sui livelli di archiviazione più lenti. È parte integrante dell'informatica moderna e si manifesta a più livelli, da hardware cache come CPU e GPU memoria, alle cache software in sistemi operativi, applicazioni e servizi web. L'efficacia di una cache dipende da quanto riesce ad anticipare le future esigenze di dati e la sua progettazione spesso comporta compromessi tra dimensioni, velocità e costi.

Tipi di cache

La cache è presente a più livelli nei sistemi informatici e nelle reti, ognuno dei quali svolge una funzione diversa: velocizzare l'accesso ai dati. Sebbene il principio di base per l'archiviazione dei dati utilizzati di frequente rimanga lo stesso, l'implementazione e la posizione della cache variano a seconda del contesto. Di seguito sono riportati i principali tipi di cache e le relative funzioni:

• Cache della CPUUna memoria piccola ma estremamente veloce, situata vicino al processore, utilizzata per memorizzare istruzioni e dati che la CPU probabilmente riutilizzerà. Riduce il tempo necessario per accedere alle informazioni dalla memoria principale (RAM), spesso suddivisi in livelli come L1, L2 e L3, con dimensioni e velocità variabili.
• Cache del disco. Un buffer tra il sistema operativo e il dispositivo di archiviazione (HDD or SSD). Memorizza temporaneamente i dati letti o scritti di recente, riducendo i tempi di accesso e migliorando I / O e le prestazioni.
• Cache di memoriaImplementato dai sistemi operativi per migliorare l'efficienza della RAM. Mantiene in memoria i dati dei file o delle applicazioni a cui si accede frequentemente, in modo che le richieste successive possano essere soddisfatte rapidamente senza dover ricaricare la memoria dal disco.
• Browser nascondiglioMemorizza risorse del sito Web come HTML file, immagini, CSSe JavaScript localmente sul dispositivo dell'utente. Ciò riduce i tempi di caricamento delle pagine quando si visitano nuovamente i siti Web e abbassa larghezza di banda utilizzo.
• Cache web (cache proxy)Utilizzato nelle reti e nei sistemi di distribuzione dei contenuti, memorizza i contenuti web più vicino all'utente. delega servers e CDN (reti per la distribuzione di contenuti) affidarsi alla memorizzazione nella cache Web per fornire tempi di risposta più rapidi e ridurre il carico sull'origine servers.
• Cache dell'applicazioneUna cache integrata nelle applicazioni software per memorizzare i dati recuperati da database o servizi esterni. Ciò contribuisce a ridurre i tempi di query e a migliorare la reattività, soprattutto nelle applicazioni ad alto traffico.
• Cache distribuitaUn sistema di memorizzazione nella cache distribuito su più servers in un cluster. È comunemente utilizzato in applicazioni su larga scala per fornire elevata disponibilità e modulabilità , spesso gestito con strumenti come Redis o Memcached.

Caratteristiche principali della cache

I sistemi di cache condividono una serie di funzionalità fondamentali che li rendono efficaci nel ridurre la latenza e migliorare le prestazioni. Queste funzionalità determinano il modo in cui la cache archivia, recupera e gestisce i dati per ottimizzare i tempi di accesso:

• Accesso ai dati ad alta velocitàLa cache è progettata per fornire un accesso più rapido ai dati rispetto alla sua origine originale, che si tratti di RAM, un disco o un dispositivo remoto. serverQuesta velocità è ottenuta conservando le informazioni utilizzate di frequente in strati di memoria più piccoli e veloci.
• Località temporaleLa cache sfrutta la tendenza dei dati a cui si accede di recente a essere nuovamente accessibili nel prossimo futuro. Memorizzando temporaneamente questi dati, riduce la necessità di recuperarli ripetutamente da archivi più lenti.
• Località spazialeOltre alla località temporale, la cache spesso memorizza i dati situati in prossimità delle informazioni a cui si è avuto accesso di recente, poiché è probabile che le posizioni di memoria adiacenti vengano utilizzate a breve. Ciò migliora l'efficienza per l'accesso sequenziale ai dati.
• Dimensioni di archiviazione limitateLa capacità della cache è notevolmente inferiore rispetto alla fonte dati principale, il che richiede strategie di gestione efficienti, come criteri di sostituzione (ad esempio, meno utilizzati di recente o first-in-first-out) per decidere quali dati mantenere.
• Gestione automatica dei datiI sistemi di cache determinano automaticamente quali dati archiviare, recuperare ed espellere senza richiedere l'intervento dell'utente, basandosi su Algoritmi che prevedono l'utilizzo futuro.
• TrasparenzaPer la maggior parte delle applicazioni e degli utenti, la memorizzazione nella cache funziona in background. È integrata nell'hardware e nel software in modo da non richiedere interventi manuali, migliorando le prestazioni in modo fluido.
• Meccanismi di coerenzaPoiché i dati memorizzati nella cache sono una copia, le cache includono strategie per mantenere le informazioni memorizzate coerenti con la fonte originale, garantendo l'accuratezza quando i dati sottostanti cambiano.

Come funziona la cache?

La cache funziona posizionando uno strato di archiviazione intermedio veloce tra una sorgente dati e il componente che richiede i dati, come una CPU, un'applicazione o un browser Web.

Quando viene effettuata una richiesta di informazioni, il sistema verifica innanzitutto se i dati sono presenti nella cache, nota come colpo di cacheSe i dati vengono trovati, vengono serviti immediatamente dalla cache, riducendo i tempi di accesso e migliorando le prestazioni. Se i dati non sono presenti, viene chiamato nascondi signorina, la richiesta viene inoltrata alla sorgente sottostante più lenta, come la memoria principale, un disco o un dispositivo remoto serverUna volta recuperati, una copia dei dati viene memorizzata nella cache in modo che le richieste future possano essere soddisfatte più rapidamente.

Per gestire il suo spazio di archiviazione limitato, la cache utilizza politiche di sostituzione, come "Least Recently Used" (LRU) o "First In First Out" (FIFO), per determinare quali voci devono essere rimosse quando è necessario memorizzare nuovi dati. Queste strategie aiutano a bilanciare i miglioramenti delle prestazioni con i vincoli della capacità finita della cache.

Le cache si basano anche su principi di località: località temporale, dove è probabile che i dati utilizzati di recente vengano riutilizzati a breve, e località spaziale, dove i dati vicini vengono spesso utilizzati insieme. Sfruttando questi modelli, le cache possono prevedere il comportamento di accesso e precaricare i dati in modo più efficace.

In alcuni sistemi, le cache includono protocolli di coerenza per garantire che la copia memorizzata nella cache corrisponda alla fonte originale quando si verificano aggiornamenti. Ciò impedisce che vengano forniti dati obsoleti o errati, il che è fondamentale negli ambienti multiprocessore e distribuiti.

Combinando questi meccanismi, la cache riduce la latenza, diminuisce l'utilizzo della larghezza di banda e aiuta i sistemi a gestire i carichi di lavoro in modo più efficiente.

Vantaggi e svantaggi della cache

La cache offre vantaggi significativi accelerando l'accesso ai dati e riducendo il carico sui sistemi di storage più lenti, ma presenta anche limitazioni come dimensioni limitate, complessità di gestione e potenziali problemi di coerenza. Comprendere sia i vantaggi che gli svantaggi della cache è essenziale per valutarne il ruolo nelle prestazioni complessive del sistema.

Vantaggi della cache

La cache offre diversi vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza che la rendono un componente fondamentale sia nei sistemi hardware che software. Memorizzando i dati a cui si accede di frequente su un supporto più veloce, la cache contribuisce a colmare il divario tra processori ad alta velocità e risorse di archiviazione più lente. Di seguito sono riportati i principali vantaggi della cache:

• Accesso ai dati più veloceLa cache riduce drasticamente il tempo necessario per recuperare i dati rispetto all'accesso alla memoria principale, al disco o a un dispositivo remoto serverCiò comporta un'esecuzione più rapida dei programmi e prestazioni più fluide delle applicazioni.
• Latenza ridottaGrazie alla capacità di fornire dati da uno strato di memoria ad alta velocità nelle vicinanze, la cache riduce al minimo i ritardi nell'elaborazione e migliora la reattività sia nei sistemi hardware che in quelli basati sul Web.
• Minore utilizzo della larghezza di bandaNegli ambienti di rete e web, la memorizzazione nella cache riduce il numero di richieste inviate all'originale server, conservando la larghezza di banda e prevenendo la congestione della rete.
• Riduzione del carico sui sistemi backendLa cache scarica le richieste frequenti dai database, file system, o applicazione servers, che aiuta a migliorare la scalabilità e riduce il rischio di colli di bottiglia del sistema.
• Esperienza utente migliorataUn accesso più rapido ai dati memorizzati nella cache, come pagine web o risposte delle applicazioni, si traduce in interazioni più fluide, tempi di attesa ridotti e maggiore soddisfazione dell'utente.
• Efficienza energeticaIl recupero dei dati dalla cache consuma meno energia rispetto all'accesso da sistemi di archiviazione più lenti e più grandi, il che può contribuire al risparmio energetico complessivo, soprattutto nelle distribuzioni su larga scala.

Svantaggi della cache

Sebbene la cache migliori notevolmente le prestazioni, presenta anche delle limitazioni che devono essere considerate durante la progettazione o l'utilizzo di un sistema. Questi svantaggi derivano dalla sua capacità limitata, dalla sua complessità e dalla dipendenza da strategie di predizione. Tra questi:

• Dimensioni di archiviazione limitateLa memoria cache è molto più piccola rispetto all'archiviazione principale o al database, il che significa che è possibile memorizzare solo una frazione dei dati. Questa limitazione può portare a frequenti errori di cache quando il set di dati in uso è più grande della capacità della cache.
• Costo maggioreLa memoria cache, soprattutto quella hardware (come la cache della CPU), è significativamente più costosa per unità di storage rispetto alla memoria principale o ai dischi. L'espansione delle dimensioni della cache può quindi aumentare i costi di sistema.
• Problemi di coerenzaPoiché i dati memorizzati nella cache sono una copia, possono diventare obsoleti se la fonte originale cambia. Garantire la coerenza tra la cache e la fonte dati primaria richiede meccanismi aggiuntivi, che aggiungono complessità.
• Spese di gestioneI sistemi di caching devono utilizzare algoritmi per determinare quali dati conservare e quali sostituire. Questo aggiunge un sovraccarico di elaborazione e, se scarsamente ottimizzato, può ridurre l'efficienza complessiva.
• Prestazioni imprevedibiliI miglioramenti delle prestazioni derivanti dalla cache dipendono dai modelli di accesso. Se le richieste sono altamente casuali o il set di dati è troppo grande, gli accessi alla cache diventano meno frequenti e i vantaggi diminuiscono.
• Potenziale di dati obsoletiNei sistemi distribuiti e nelle cache Web, a volte gli utenti potrebbero ricevere contenuti obsoleti se la cache non viene aggiornata correttamente, il che può causare imprecisioni o un'esperienza utente scadente.

Domande frequenti sulla cache

Ecco le risposte alle domande più frequenti sulla cache.

È possibile eliminare la cache?

Sì, la cache può essere eliminata e in molti sistemi è una comune operazione di manutenzione. Poiché la cache memorizza copie temporanee dei dati, rimuoverla non danneggia la fonte originale; cancella solo il livello di accesso rapido. Una volta eliminata, la cache si ricostruirà gradualmente man mano che il sistema o l'applicazione continua a funzionare e recupererà nuovamente i dati utilizzati di frequente.

In pratica, l'eliminazione della cache può essere utile per liberare spazio di archiviazione, risolvere problemi di prestazioni o garantire che vengano recuperati contenuti aggiornati anziché fornire dati obsoleti. Ad esempio, svuotare la cache di un browser forza il browser a caricare la versione più recente di un sito web, mentre l'eliminazione della cache di un'applicazione o del sistema operativo può risolvere problemi causati da file danneggiati o obsoleti. Tuttavia, lo svantaggio è che, dopo l'eliminazione, il sistema potrebbe inizialmente risultare più lento finché la cache non viene ripopolata con dati aggiornati.

Come cancellare la cache?

La cancellazione della cache dipende dal sistema o dall'applicazione, ma il processo comporta sempre la rimozione dei dati memorizzati temporaneamente in modo che il programma possa recuperarne nuove copie.

Nei browser web, la cache viene cancellata tramite le impostazioni o il menu della privacy, solitamente sotto opzioni come "Cancella dati di navigazione" o "Cancella cache". In questo modo vengono eliminati i siti Web memorizzati localmente. file, costringendo il browser a ricaricare le versioni aggiornate.

On sistemi operativi, la cache può essere cancellata dalle impostazioni di sistema o con strumenti integrati. Ad esempio, Windows fornisce "Pulizia disco" per rimuovere i file memorizzati nella cache, mentre macOS e Linux consente agli utenti di eliminare manualmente le directory della cache o tramite comandi del terminale.

On applicazioniMolti programmi e app mobili includono un'opzione per cancellare la cache nelle impostazioni. Questa opzione è comune nei dispositivi mobili, dove i dati delle app memorizzati nella cache possono occupare molto spazio di archiviazione.

On servers e banche dati, la cancellazione della cache potrebbe comportare il riavvio dei servizi di caching (come Redis o Memcached) o l'esecuzione di comandi per svuotare le voci memorizzate nella cache. Questa operazione viene spesso eseguita per aggiornare dati obsoleti o risolvere problemi di prestazioni.

Con quale frequenza dovrei cancellare la cache?

La frequenza con cui è necessario svuotare la cache dipende dal tipo di sistema e dalle esigenze specifiche. Nella maggior parte dei casi, la cache è progettata per gestirsi in modo efficiente, quindi non è necessaria una frequente pulizia manuale.

Ecco una panoramica della frequenza con cui è necessario cancellare i diversi tipi di cache:

• Browser WebSvuotare la cache di tanto in tanto (ad esempio ogni poche settimane o mesi) è sufficiente per liberare spazio e garantire la visualizzazione della versione più recente dei siti web. Potrebbe essere necessario farlo prima se le pagine non si caricano correttamente, se i vecchi contenuti del sito persistono o se la privacy è un problema sui dispositivi condivisi.
• App e dispositivi mobili. La cancellazione della cache è utile quando lo spazio di archiviazione è limitato o quando un'app si comporta in modo anomalo a causa di file temporanei danneggiati. In caso contrario, è possibile non intervenire, poiché i dati memorizzati nella cache di solito migliorano le prestazioni dell'app.
• Servers e banche dati. La cancellazione della cache non è un'operazione di routine, ma viene eseguita in risposta a problemi specifici, come dati obsoleti, modifiche alla configurazione o risoluzione di problemi di sistema. Questi ambienti fanno affidamento sulla cache per la velocità, quindi una cancellazione non necessaria riduce l'efficienza.

In generale, è consigliabile cancellare la cache solo quando causa problemi o limitazioni di spazio di archiviazione, anziché secondo una pianificazione fissa, poiché la gestione automatica della cache è integrata nella maggior parte dei sistemi moderni.

Cache significa RAM?

No, cache non significa RAM, sebbene le due cose siano correlate. La RAM (memoria ad accesso casuale) è la memoria principale di un computer, utilizzata per memorizzare dati e istruzioni di cui la CPU ha bisogno durante l'esecuzione dei programmi. Ha una capacità molto maggiore della cache, ma è più lenta da accedere.

La cache, invece, è un tipo di memoria più piccola e veloce, situata più vicino alla CPU. Il suo scopo è quello di conservare temporaneamente i dati e le istruzioni utilizzati più frequentemente, in modo che il processore non debba recuperarli ripetutamente dalla RAM, il che richiederebbe più tempo.

In breve, la RAM è la memoria di lavoro principale, mentre la cache è uno strato di memoria specializzato ad alta velocità che accelera l'accesso ai dati memorizzati nella RAM. Lavorano insieme per garantire prestazioni di sistema efficienti, ma non sono la stessa cosa.