O que é cache: Definição, tipos e como funciona

O cache é um armazenamento temporário que acelera o acesso aos dados. Ao armazenar dados usados com frequência perto do processador, ele aumenta a eficiência do sistema. Este artigo explicará o que é o cache, seus tipos e como ele funciona.

Principais conclusões

• O cache é uma área de armazenamento temporário que acelera a recuperação de dados, mantendo as informações acessadas com frequência mais próximas da unidade de processamento.
• Há vários tipos de cache, incluindo cache de CPU, cache de disco e cache de navegador, cada um projetado para otimizar componentes específicos de um sistema de computador.
• O gerenciamento do cache é essencial, envolvendo estratégias como a invalidação do cache e algoritmos como LRU e FIFO para manter a eficiência e a integridade dos dados.

O que é cache?

O cache é essencialmente uma área de armazenamento temporário para dados acessados com frequência. O objetivo principal do cache é acelerar a recuperação de dados armazenando cópias desses dados mais perto da unidade de processamento, reduzindo assim o tempo e o esforço necessários para acessá-los. Imagine você digitando repetidamente as mesmas informações em um sistema; o cache elimina essa redundância armazenando as informações para acesso rápido.

O cache pode assumir várias formas, inclusive:

• Cache da CPU
• Cache de disco
• Cache de aplicativos
• Cache de flash
• Caches de gateway, que armazenam solicitações de clientes e respostas de aplicativos

Cada um deles tem uma finalidade exclusiva em diferentes partes de um sistema de computador. Essas várias formas de cache trabalham juntas para garantir que os componentes de hardware e software operem com eficiência, proporcionando uma experiência de usuário perfeita.

Compreender o cache é fundamental, pois ele preenche a lacuna entre a velocidade incrível dos processadores modernos e a recuperação de dados relativamente mais lenta da memória principal ou do armazenamento em disco. Essa sinergia entre os componentes é o que mantém nossos aplicativos em execução sem problemas e nossos dispositivos responsivos.

Como o cache funciona?

O cache funciona armazenando cópias de dados acessados com frequência, o que permite tempos de recuperação mais rápidos. O processo envolve:

• Quando um sistema solicita dados, ele primeiro verifica a memória cache para ver se os dados já estão armazenados lá.
• Se os dados estiverem no cache, eles serão recuperados rapidamente, proporcionando uma alta taxa de acerto e reduzindo a latência.
• Esse processo é significativamente mais rápido do que a recuperação de dados da memória principal ou de um servidor, graças à proximidade e à velocidade do cache.

O processo de cache tem tudo a ver com eficiência e velocidade. O cache minimiza a necessidade de recuperação repetida de dados de mídias de armazenamento mais lentas, armazenando dados acessados com frequência. Isso não apenas melhora o desempenho, mas também reduz a carga nos servidores e nos recursos de rede, tornando todo o sistema mais eficiente.

Acertos e erros do cache

Um acerto no cache ocorre quando o sistema localiza os dados solicitados no cache. Isso indica que os dados podem ser recuperados rapidamente do armazenamento em cache. Esse é o cenário ideal, pois significa que os dados podem ser recuperados rapidamente, aumentando a eficiência do sistema. Por exemplo, se a CPU encontrar os dados de que precisa no cache L1, ela poderá processar as informações quase instantaneamente, o que resultará em um desempenho geral mais rápido.

Uma falha de cache ocorre quando os dados que você deseja não estão presentes no cache. Isso resulta em um atraso, pois o sistema precisa buscar as informações em um armazenamento mais lento. Quando ocorre uma falha no cache, o sistema precisa recuperar os dados de um meio de armazenamento mais lento, como a memória principal ou a unidade de disco, o que pode prejudicar o desempenho. Esse atraso pode ser perceptível, especialmente em aplicativos de alta demanda em que a velocidade é fundamental.

Estratégias de cache

Diferentes estratégias de cache ajudam a gerenciar como os dados são armazenados e recuperados em um sistema de cache. Uma estratégia comum é o cache write-back, em que os dados são gravados primeiro no cache e depois no armazenamento principal em um momento posterior. Essa abordagem pode acelerar as operações de gravação e reduzir a carga no armazenamento principal.

Outra estratégia é o cache de gravação, que ignora o cache para operações de gravação que não são necessárias imediatamente. Isso pode ser útil para evitar a sobrecarga de armazenamento em cache de dados que não precisam ser acessados rapidamente. Cada estratégia tem suas vantagens e é escolhida com base nas necessidades específicas do aplicativo ou do sistema.

Tipos de memória cache

A memória cache vem em várias formas, cada uma delas projetada para otimizar diferentes partes de um sistema de computação, inclusive a unidade central de processamento. Elas variam de caches de CPU que aceleram as operações do processador a caches de disco que aprimoram a recuperação de dados de dispositivos de armazenamento, permitindo que os usuários gerenciem seu próprio cache com eficiência. Além disso, o cache de hardware desempenha um papel fundamental no aprimoramento do desempenho geral do sistema, juntamente com a memória do computador.

Compreender esses diferentes tipos ajuda você a entender como o cache desempenha um papel fundamental na computação moderna.

Cache da CPU

O cache da CPU é um dos tipos mais importantes de memória cache. Ele inclui vários níveis:

• Cache L1: uma memória pequena e extremamente rápida integrada diretamente à CPU, normalmente variando de 2 KB a 64 KB, usada para armazenar os dados acessados com mais frequência.
• Cache L2
• Cache L3

O cache L2 é maior que o cache L1 e é conectado à CPU por meio de um barramento de sistema alternativo de alta frequência. Isso evita as lentidões que podem ocorrer devido ao congestionamento no barramento principal.

O cache L3, encontrado em CPUs com vários núcleos, é compartilhado entre os núcleos, reunindo recursos para acelerar o acesso aos dados dos caches L1 e L2. Esses caches trabalham juntos para garantir que a CPU possa acessar os dados o mais rápido possível, melhorando o desempenho geral do sistema.

Cache de disco

O cache de disco é um mecanismo de armazenamento temporário para dados lidos ou gravados em uma unidade de disco. Ao armazenar cópias de dados acessados recentemente, um bloco de cache pode aumentar significativamente a velocidade de acesso aos dados. Isso é particularmente útil para operações que envolvem grandes quantidades de dados, como consultas a bancos de dados ou transferências de arquivos.

Cache do navegador

O cache do navegador é utilizado pelos navegadores da Web para reter informações de sessões de navegação anteriores, inclusive páginas da Web, imagens, arquivos JavaScript, imagens em cache e outros recursos. Os caches do navegador reduzem significativamente o tempo de carregamento do site, salvando versões em cache desses arquivos localmente. Isso não apenas melhora a experiência do usuário, mas também reduz a carga nos servidores da Web. Além disso, um cache da Web pode melhorar o desempenho armazenando dados acessados com frequência quando um navegador acessa esses recursos.

Além disso, o cache do navegador é privado e não é compartilhado, o que ajuda a proteger a privacidade do usuário.

Cache persistente

O cache persistente garante que os dados em cache permaneçam disponíveis mesmo após a reinicialização ou falha do sistema. Isso é fundamental para manter a disponibilidade dos dados e minimizar a perda de dados.

Os mecanismos de cache persistente geralmente usam bateria de reserva ou transferem dados para a RAM dinâmica com bateria de reserva para proteger os dados.

Cache Flash

O cache flash utiliza a memória flash NAND para oferecer acesso a dados significativamente mais rápido em comparação com os dispositivos de armazenamento tradicionais. Esse tipo de cache é particularmente vantajoso em ambientes em que a velocidade é fundamental, como sistemas de computação de alto desempenho ou data centers, geralmente complementados por memória de acesso aleatório.

Benefícios do uso do cache

O uso da memória cache oferece vários benefícios que melhoram o desempenho geral do sistema:

• Minimiza o tempo de acesso e reduz os atrasos, armazenando dados acessados com frequência em uma área de memória mais rápida.
• Acelera o desempenho do aplicativo.
• Otimiza os recursos do sistema reduzindo a demanda por largura de banda.

Desempenho aprimorado

A principal vantagem do armazenamento em cache é o desempenho aprimorado. O acesso a um arquivo pela primeira vez é mais lento do que o acesso a dados armazenados em cache, já que estes últimos são armazenados em uma área de memória mais rápida. Por exemplo, o cache de um navegador da Web armazena imagens, arquivos JavaScript e consultas para acelerar o tempo de carregamento de recursos acessados anteriormente.

Isso reduz a demanda geral nos servidores, minimizando as solicitações de dados duplicados.

Latência reduzida

O armazenamento em cache reduz significativamente o tempo necessário para acessar os dados armazenados usados com frequência, minimizando assim os atrasos. O armazenamento em cache diminui efetivamente o tempo de recuperação ao armazenar dados mais próximos do usuário, resultando em menor latência.

Isso é particularmente vantajoso em aplicativos que exigem processamento de dados em tempo real.

Uso eficiente de recursos

O armazenamento em cache gera economia de custos:

• Utilização de infraestrutura de TI com eficiência energética compartilhada entre vários clientes por provedores de cache comerciais, otimizando o uso de recursos.
• Reduzir a necessidade de infraestrutura duplicada.
• Evitar downloads repetidos, economizando tempo e recursos necessários para a recuperação de dados.

Isso aumenta significativamente a largura de banda e a eficiência geral da rede.

Desvantagens do cache

A implementação do cache, apesar de seus inúmeros benefícios, pode introduzir complexidades significativas. Os desenvolvedores precisam tomar decisões importantes sobre quais dados devem ser armazenados em cache e como gerenciá-los de forma eficaz. Um grande desafio é a invalidação do cache; o tratamento incorreto pode servir dados obsoletos ou subutilizar o cache.

Os dados desatualizados podem ser servidos a partir do cache se não forem atualizados adequadamente, o que pode levar à estagnação dos dados. Em sistemas distribuídos, manter a consistência entre o cache e a mesma fonte de dados pode ser problemático, especialmente quando a versão em cache dos dados armazenados em cache não é atualizada.

Além disso, os caches usam memória, o que pode aumentar o consumo geral de memória e afetar o desempenho do aplicativo.

Algoritmos e políticas de cache

O gerenciamento eficaz do cache envolve vários algoritmos e políticas que determinam como os dados são armazenados e recuperados. Essas estratégias garantem que o cache opere com eficiência e mantenha a integridade dos dados.

Menos usado recentemente (LRU)

O algoritmo LRU prioriza a manutenção dos dados que foram acessados recentemente, removendo primeiro os itens menos acessados. Isso garante que o cache retenha os dados mais relevantes e usados com frequência, melhorando a eficiência geral.

Primeiro a entrar, primeiro a sair (FIFO)

O FIFO opera com o princípio de remover os dados mais antigos do cache, independentemente da frequência com que foram acessados. Essa abordagem simples garante que os itens armazenados mais antigos sejam removidos primeiro, abrindo espaço para novos dados.

Políticas de invalidação de cache

As políticas de invalidação de cache são essenciais para manter a integridade dos dados, garantindo que as informações desatualizadas sejam removidas do cache. Essas políticas garantem que as entradas de cache obsoletas ou desatualizadas sejam removidas ou atualizadas imediatamente, mantendo os dados atuais e relevantes.

Limpando o cache: Por que e como

A limpeza do cache é fundamental para resolver a corrupção de dados e liberar espaço de armazenamento. Ela garante que a versão mais atual dos dados seja acessada, evitando que dados desatualizados ou corrompidos causem problemas.

Razões para limpar o cache

A limpeza dos dados em cache é necessária para resolver a corrupção de dados, que pode ocorrer quando uma versão corrompida de um aplicativo é armazenada em cache. O cache acumulado pode ocupar um espaço de armazenamento significativo, exigindo uma limpeza periódica.

Além disso, a limpeza de dados de cache desatualizados garante o acesso à versão mais atual dos dados.

Etapas para limpar o cache do navegador

A limpeza do cache do navegador pode variar um pouco, dependendo do navegador da Web que você estiver usando. No Google Chrome, você pode limpar o cache acessando o menu Configurações e selecionando“Excluir dados de navegação”.

No Firefox, você pode limpar o cache no menu “Preferências”, selecionando“Privacidade e segurança” e clicando em “Limpar dados”.

No Microsoft Edge, a limpeza do cache é feita no menu “Configurações”, em“Privacidade, pesquisa e serviços”.

Para usuários do Safari, você deve acessar “Configurações”, tocar em “Safari” e selecionar“Limpar histórico e dados do site”.

Essas etapas garantem que todos os dados desatualizados ou corrompidos sejam removidos e que o navegador possa funcionar de maneira ideal.

Monitoramento e manutenção do cache

O monitoramento e a manutenção do cache são essenciais para garantir o desempenho e a eficiência ideais. A análise regular do uso do cache ajuda a identificar ineficiências e oportunidades de otimização, permitindo ajustes oportunos para aprimorar os processos de recuperação de dados.

Ferramentas de monitoramento de cache

Há várias ferramentas disponíveis para monitorar o desempenho do cache:

• A Sematext oferece ferramentas como Synthetics e Experience para avaliar o desempenho do cache.
• O Prometheus e o Grafana fornecem a visualização das métricas de desempenho do cache.
• Essas ferramentas podem alertar os usuários sobre possíveis problemas, ajudando a manter um sistema de cache eficiente e sem problemas.

Práticas recomendadas para manutenção do cache

A adoção de práticas recomendadas para a manutenção do cache pode melhorar significativamente o desempenho. A revisão e o ajuste regulares do tamanho do cache ajudam a otimizar o uso da memória.

A utilização de sistemas de cache distribuídos pode aumentar a escalabilidade e reduzir a carga em nós de cache individuais, garantindo um ambiente de cache equilibrado e eficiente.

Resumo

O cache é um componente fundamental da computação moderna que melhora significativamente o desempenho, reduzindo o tempo de recuperação de dados e otimizando o uso de recursos. Compreender os vários tipos de cache, como eles funcionam e suas vantagens e desvantagens é fundamental tanto para desenvolvedores quanto para usuários finais.

Ao implementar estratégias eficazes de armazenamento em cache e manter os sistemas de cache por meio de monitoramento e atualizações regulares, é possível garantir que os aplicativos e sistemas sejam executados de forma suave e eficiente. O cache pode ser um herói dos bastidores, mas seu impacto na experiência do usuário é profundo e indispensável.

Perguntas frequentes