O que é a cache: Definição, tipos e como funciona

A cache é um armazenamento temporário que acelera o acesso aos dados. Ao armazenar dados utilizados frequentemente perto do processador, aumenta a eficiência do sistema. Este artigo explica o que é a cache, os seus tipos e como funciona.

Principais conclusões

• A cache é uma área de armazenamento temporário que acelera a recuperação de dados, mantendo as informações frequentemente acedidas mais próximas da unidade de processamento.
• Existem vários tipos de cache, incluindo a cache da CPU, a cache do disco e a cache do browser, cada uma concebida para otimizar componentes específicos de um sistema informático.
• A gestão da cache é essencial, envolvendo estratégias como a invalidação da cache e algoritmos como o LRU e o FIFO para manter a eficiência e a integridade dos dados.

O que é a cache?

A cache é essencialmente uma área de armazenamento temporário para dados frequentemente acedidos. O principal objetivo da 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 aceder aos mesmos. Imagina que escreves repetidamente a mesma informação num sistema; a cache elimina esta redundância, armazenando a informação para um acesso rápido.

A cache pode assumir muitas formas, incluindo:

• Cache da CPU
• Cache de disco
• Cache de aplicações
• Cache flash
• Caches de gateway, que armazenam pedidos de clientes e respostas de aplicações

Cada uma delas tem uma finalidade única em diferentes partes de um sistema informático. Estas várias formas de cache trabalham em conjunto para garantir que os componentes de hardware e software funcionam de forma eficiente, proporcionando uma experiência de utilizador perfeita.

Compreender a cache é crucial porque ela 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. Esta sinergia entre componentes é o que mantém as nossas aplicações a funcionar sem problemas e os nossos dispositivos a responder.

Como é que a cache funciona?

A cache funciona armazenando cópias de dados frequentemente acedidos, o que permite tempos de recuperação mais rápidos. O processo envolve:

• Quando um sistema solicita dados, primeiro verifica a memória cache para ver se os dados já estão armazenados lá.
• Se os dados estiverem na cache, são recuperados rapidamente, proporcionando uma elevada taxa de acerto e reduzindo a latência.
• Este processo é significativamente mais rápido do que a recuperação de dados da memória principal ou de um servidor, graças à proximidade e à velocidade da cache.

O processo de armazenamento em cache tem tudo a ver com eficiência e velocidade. A cache minimiza a necessidade de recuperação repetida de dados a partir de meios de armazenamento mais lentos, armazenando dados acedidos frequentemente. Isto não só melhora o desempenho, como também reduz a carga nos servidores e nos recursos de rede, tornando todo o sistema mais eficiente.

Acertos e erros da cache

Um acerto na cache acontece quando o sistema localiza os dados solicitados na cache. Isto indica que os dados podem ser recuperados rapidamente do armazenamento em cache. Este é o cenário ideal, pois significa que os dados podem ser recuperados rapidamente, aumentando a eficiência do sistema. Por exemplo, se a tua CPU encontrar os dados de que necessita na cache L1, pode processar a informação quase instantaneamente, o que leva a um desempenho geral mais rápido.

Uma falha de cache ocorre quando os dados que pretendes não estão presentes na cache. Isto resulta num atraso, uma vez que o sistema tem de ir buscar as informações a um armazenamento mais lento. Quando ocorre uma falha de cache, o sistema deve 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 percetível, especialmente em aplicativos de alta demanda em que a velocidade é fundamental.

Estratégias de armazenamento em cache

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

Outra estratégia é a cache de write-around, que ignora a cache para operações de escrita que não são imediatamente necessárias. 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 da aplicação ou do sistema.

Tipos de memória cache

A memória cache tem várias formas, cada uma concebida para otimizar diferentes partes de um sistema informático, incluindo a unidade de processamento central. Estas variam desde caches de CPU que aceleram as operações do processador até caches de disco que melhoram a recuperação de dados de dispositivos de armazenamento, permitindo aos utilizadores gerir a sua própria cache de forma eficaz. Além disso, a cache de hardware desempenha um papel crucial na melhoria do desempenho geral do sistema, juntamente com a memória do computador.

Compreender estes diferentes tipos ajuda a compreender como a cache desempenha um papel crucial na computação moderna.

Cache da CPU

A cache da CPU é um dos tipos mais críticos de memória cache. Inclui vários níveis:

• Cache L1: uma memória pequena e extremamente rápida integrada diretamente na CPU, normalmente entre 2KB e 64KB, utilizada para armazenar os dados mais frequentemente acedidos.
• Cache L2
• Cache L3

A cache L2 é maior do que a cache L1 e está ligada à CPU através de um bus de sistema alternativo de alta frequência. Evita assim os abrandamentos que podem ocorrer devido ao congestionamento do barramento principal.

A cache L3, encontrada em CPUs com vários núcleos, é compartilhada entre os núcleos, reunindo recursos para acelerar o acesso aos dados das 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

A cache de disco é um mecanismo de armazenamento temporário para dados lidos ou gravados numa unidade de disco. Ao armazenar cópias de dados acedidos recentemente, um bloco de cache pode aumentar significativamente a velocidade de acesso aos dados. Isto é particularmente útil para operações que envolvem grandes quantidades de dados, como consultas a bases de dados ou transferências de ficheiros.

Cache do navegador

A cache do navegador é utilizada pelos navegadores Web para reter informações de sessões de navegação anteriores, incluindo páginas Web, imagens, ficheiros JavaScript, imagens em cache e outros recursos. As caches do browser reduzem significativamente os tempos de carregamento do site, guardando localmente versões em cache destes ficheiros. Isto não só melhora a experiência do utilizador, como também reduz a carga nos servidores Web. Além disso, uma cache da Web pode melhorar o desempenho armazenando dados acedidos frequentemente quando um browser acede a estes recursos.

Além disso, a cache do browser é privada e não é partilhada, o que ajuda a proteger a privacidade do utilizador.

Cache persistente

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

Os mecanismos de cache persistente utilizam frequentemente uma bateria de reserva ou transferem dados para uma RAM dinâmica com bateria para proteger os dados.

Cache Flash

A cache flash utiliza a memória flash NAND para oferecer um acesso aos dados significativamente mais rápido em comparação com os dispositivos de armazenamento tradicionais. Este tipo de cache é particularmente benéfico em ambientes onde a velocidade é crítica, como sistemas de computação de alto desempenho ou centros de dados, muitas vezes complementados por memória de acesso aleatório.

Vantagens da utilização da cache

A utilização da memória cache oferece inúmeras vantagens que melhoram o desempenho geral do sistema:

• Minimiza o tempo de acesso e reduz os atrasos, armazenando os dados frequentemente acedidos numa área de memória mais rápida.
• Acelera o desempenho da aplicação.
• Optimiza os recursos do sistema reduzindo a procura de largura de banda.

Desempenho melhorado

A principal vantagem do armazenamento em cache é a melhoria do desempenho. O acesso a um ficheiro pela primeira vez é mais lento do que o acesso a dados armazenados em cache, uma vez que estes últimos são armazenados numa área de memória mais rápida. Por exemplo, a cache de um navegador Web armazena imagens, ficheiros JavaScript e consultas para acelerar os tempos de carregamento de recursos acedidos anteriormente.

Isto reduz a procura global nos servidores, minimizando os pedidos de dados duplicados.

Latência reduzida

O armazenamento em cache reduz significativamente o tempo necessário para aceder aos dados armazenados frequentemente utilizados, minimizando assim os atrasos. O armazenamento em cache diminui efetivamente o tempo de recuperação, armazenando os dados mais perto do utilizador, o que resulta numa menor latência.

Isto é particularmente vantajoso em aplicações que requerem processamento de dados em tempo real.

Utilização eficiente dos recursos

O armazenamento em cache permite poupar nos custos:

• Utiliza uma infraestrutura de TI eficiente em termos energéticos, partilhada entre vários clientes por fornecedores comerciais de caching, optimizando a utilização de recursos.
• Reduzir a necessidade de duplicação de infra-estruturas.
• Evita descarregamentos repetidos, poupando tempo e recursos necessários para a recuperação de dados.

Isto melhora significativamente a largura de banda e a eficiência globais da rede.

Desvantagens da cache

A implementação da cache, apesar dos seus inúmeros benefícios, pode introduzir complexidades significativas. Os programadores têm de tomar decisões críticas sobre que dados colocar em cache e como geri-los eficazmente. Um dos maiores desafios é a invalidação da cache; um tratamento incorreto pode servir dados obsoletos ou subutilizar a cache.

Os dados desactualizados podem ser servidos a partir da cache se não forem actualizados corretamente, levando a uma potencial obsolescência dos dados. Em sistemas distribuídos, manter a consistência entre a cache e a mesma fonte de dados pode ser problemático, especialmente quando a versão em cache dos dados armazenados em cache não é actualizada.

Além disso, as caches utilizam memória, o que pode aumentar o consumo geral de memória e afetar o desempenho da aplicação.

Algoritmos e políticas de cache

A gestão eficaz da cache envolve vários algoritmos e políticas que determinam a forma como os dados são armazenados e recuperados. Estas estratégias garantem que a cache funciona de forma eficiente e mantém a integridade dos dados.

Menos recentemente utilizado (LRU)

O algoritmo LRU dá prioridade à manutenção dos dados que foram acedidos recentemente, removendo primeiro os itens menos acedidos. Isso garante que o cache mantenha os dados mais relevantes e usados com frequência, melhorando a eficiência geral.

Primeiro a entrar, primeiro a sair (FIFO)

O FIFO funciona com base no princípio de remover os dados mais antigos da cache, independentemente da frequência com que foram acedidos. Essa abordagem simples garante que os itens armazenados mais antigos sejam removidos primeiro, abrindo espaço para novos dados.

Políticas de invalidação da cache

As políticas de invalidação de cache são essenciais para manter a integridade dos dados, garantindo que 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.

Limpar a cache: Porquê e como

Limpar a cache é crucial para resolver a corrupção de dados e libertar espaço de armazenamento. Garante que a versão mais atual dos dados é acedida, evitando que dados desactualizados ou corrompidos causem problemas.

Razões para limpar a cache

A limpeza de dados em cache é necessária para resolver a corrupção de dados, que pode surgir quando uma versão corrompida de uma aplicação é colocada em cache. A cache acumulada pode ocupar um espaço de armazenamento significativo, necessitando de uma limpeza periódica.

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

Passos para limpar a cache do browser

A limpeza da cache do navegador pode variar ligeiramente consoante o navegador Web que estás a utilizar. No Google Chrome, podes limpar a cache indo ao menu Definições e selecionando“Eliminar dados de navegação”.

No Firefox, podes limpar a cache através do menu “Preferências”, selecionando“Privacidade e segurança” e clicando em “Limpar dados”.

No Microsoft Edge, a limpeza da cache é efectuada através do menu “Definições” em“Privacidade, pesquisa e serviços”.

Para os utilizadores do Safari, vai a “Definições”, toca em “Safari” e, em seguida, seleciona“Limpar histórico e dados de sites”.

Estes passos garantem que todos os dados desactualizados ou corrompidos são removidos e que o browser pode funcionar de forma optimizada.

Monitorização e manutenção da cache

Monitorizar e manter a cache é essencial para garantir um desempenho e uma eficiência óptimos. A análise regular da utilização da cache ajuda a identificar ineficiências e oportunidades de otimização, permitindo ajustes atempados para melhorar os processos de recuperação de dados.

Ferramentas de monitorização da cache

Existem várias ferramentas disponíveis para monitorizar o desempenho da cache:

• A Sematext oferece ferramentas como Synthetics e Experience para avaliar o desempenho da cache.
• O Prometheus e o Grafana fornecem a visualização das métricas de desempenho do cache.
• Estas ferramentas podem alertar os utilizadores para potenciais problemas, ajudando a manter um sistema de cache suave e eficiente.

Melhores práticas para a manutenção da cache

A adoção de práticas recomendadas para a manutenção do cache pode melhorar significativamente o desempenho. Rever e ajustar regularmente os tamanhos da cache ajuda a otimizar a utilização 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

A cache é um componente fundamental da computação moderna que melhora significativamente o desempenho, reduzindo os tempos de recuperação de dados e optimizando a utilização de recursos. Compreender os vários tipos de cache, como funcionam e as suas vantagens e desvantagens é crucial tanto para os programadores como para os utilizadores finais.

Ao implementar estratégias de cache eficazes e ao manter os sistemas de cache através de monitorização e actualizações regulares, é possível garantir que as aplicações e os sistemas funcionam sem problemas e de forma eficiente. A cache pode ser um herói dos bastidores, mas o seu impacto na experiência do utilizador é profundo e indispensável.

Perguntas frequentes